De meest nauwkeurige klokken ter wereld zijn kwantumklokken.

In de 21e eeuw ontwikkelt satellietnavigatie zich in een snel tempo. Je kunt de positie bepalen van alle objecten die op de een of andere manier verbonden zijn met satellieten, of het nu een mobiele telefoon, een auto of een ruimteschip is. Maar dit alles zou niet kunnen worden bereikt zonder atoomklokken.
Deze horloges worden ook gebruikt in verschillende telecommunicatie, zoals mobiele communicatie. Dit is het meest nauwkeurige horloge dat ooit was, is en zal zijn. Zonder hen zou het internet niet gesynchroniseerd zijn, zouden we de afstand tot andere planeten en sterren niet kennen, enz.
In uren per seconde worden 9.192.631.770 perioden van elektromagnetische straling opgenomen, die ontstonden tijdens de overgang tussen twee energieniveaus van het cesium-133-atoom. Dergelijke klokken worden cesiumklokken genoemd. Maar dit is slechts een van de drie soorten atoomklokken. Er zijn ook waterstof- en rubidiumhorloges. Cesiumklokken worden echter het vaakst gebruikt, dus we zullen niet bij andere typen stilstaan.

Werkingsprincipe van een cesium-atoomklok

De laser verwarmt de atomen van de cesiumisotoop en op dit moment registreert de ingebouwde resonator alle overgangen van de atomen. En zoals eerder vermeld, wordt na het bereiken van 9.192.631.770 overgangen één seconde geteld.

Een in de horlogekast ingebouwde laser verwarmt de atomen van de cesiumisotoop. Op dit moment registreert de resonator het aantal overgangen van atomen naar een nieuw energieniveau. Wanneer een bepaalde frequentie wordt bereikt, namelijk 9.192.631.770 overgangen (Hz), wordt de seconde geteld op basis van het internationale SI-systeem.

Gebruik bij satellietnavigatie

Het proces van het bepalen van de exacte locatie van een object met behulp van een satelliet is erg moeilijk. Hierbij zijn meerdere satellieten betrokken, namelijk ruim 4 per ontvanger (bijvoorbeeld een GPS-navigator in een auto).

Elke satelliet bevat een zeer nauwkeurige atoomklok, een satellietradiozender en een digitale codegenerator. De radiozender stuurt een digitale code en informatie over de satelliet naar de aarde, namelijk orbitale parameters, model, enz.

De klok bepaalt hoe lang het duurde voordat deze code de ontvanger bereikte. Dus als we de voortplantingssnelheid van radiogolven kennen, wordt de afstand tot de ontvanger op aarde berekend. Maar daarvoor is één satelliet niet genoeg. Moderne GPS-ontvangers kunnen signalen van 12 satellieten tegelijk ontvangen, waardoor je de locatie van een object kunt bepalen met een nauwkeurigheid van maximaal 4 meter. Overigens is het vermeldenswaard dat GPS-navigators geen abonnementskosten vereisen.

Isidor Rabi, hoogleraar natuurkunde aan Columbia University, heeft een nog nooit eerder vertoond project voorgesteld: een klok die werkt volgens het principe van een atomaire straal van magnetische resonantie. Dit gebeurde in 1945 en al in 1949 bracht het National Bureau of Standards het eerste werkende prototype uit. Het las de trillingen van het ammoniakmolecuul. Cesium kwam pas veel later in gebruik: het NBS-1-model verscheen pas in 1952.

Het National Physical Laboratory in Engeland creëerde in 1955 de eerste cesiumbundelklok. Ruim tien jaar later, tijdens de Algemene Conferentie over Gewichten en Maatregelen, werd een geavanceerdere klok gepresenteerd, eveneens gebaseerd op trillingen in het cesiumatoom. Model NBS-4 werd gebruikt tot 1990.

Soorten horloges

Op dit moment zijn er drie soorten atoomklokken, die volgens ongeveer hetzelfde principe werken. Cesiumklokken, de meest nauwkeurige, scheiden het cesiumatoom door een magnetisch veld. De eenvoudigste atoomklok, de rubidiumklok, maakt gebruik van rubidiumgas ingesloten in een glazen bol. En ten slotte neemt de waterstofatoomklok als referentiepunt waterstofatomen, opgesloten in een omhulsel van een speciaal materiaal - het voorkomt dat de atomen snel energie verliezen.

Hoe laat is het nu

In 1999 stelde het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) een nog geavanceerdere versie van de atoomklok voor. Het NIST-F1-model houdt rekening met een fout van slechts één seconde per twintig miljoen jaar.

Het meest accuraat

Maar de natuurkundigen van NIST stopten daar niet. Wetenschappers besloten een nieuwe chronometer te ontwikkelen, dit keer gebaseerd op strontiumatomen. De nieuwe klok werkt op 60% van het vorige model, wat betekent dat hij niet over twintig miljoen jaar één seconde verliest, maar over maar liefst vijf miljard jaar.

Meet tijd

Internationale overeenstemming heeft de enige precieze frequentie voor de resonantie van een cesiumdeeltje bepaald. Dit is 9.192.631.770 hertz - het delen van het uitgangssignaal door dit getal komt overeen met precies één cyclus per seconde.

Welke “horlogemakers” hebben dit uiterst nauwkeurige mechanisme uitgevonden en geperfectioneerd? Is er een vervanger voor hem? Laten we proberen het uit te zoeken.

In 2012 viert de atoomtijdwaarneming zijn vijfenveertigste verjaardag. In 1967 begon de categorie van tijd in het Internationale Stelsel van Eenheden niet te worden bepaald door astronomische schalen, maar door de cesiumfrequentiestandaard. Dit is wat de gewone mensen de atoomklok noemen.

Wat is het werkingsprincipe van atomaire oscillatoren? Deze ‘apparaten’ gebruiken kwantumenergieniveaus van atomen of moleculen als bron van resonantiefrequentie. De kwantummechanica verbindt verschillende afzonderlijke energieniveaus met het “atoomkern-elektronen”-systeem. Een elektromagnetisch veld met een bepaalde frequentie kan een overgang van dit systeem van een laag naar een hoger niveau veroorzaken. Het tegenovergestelde fenomeen is ook mogelijk: een atoom kan van een hoog energieniveau naar een lager energieniveau gaan door energie uit te zenden. Beide verschijnselen kunnen worden gecontroleerd en deze sprongen tussen de energieniveaus kunnen worden geregistreerd, waardoor de gelijkenis van een oscillerend circuit ontstaat. De resonantiefrequentie van dit circuit zal gelijk zijn aan het energieverschil tussen de twee overgangsniveaus gedeeld door de constante van Planck.

De resulterende atomaire oscillator heeft ongetwijfeld voordelen ten opzichte van zijn astronomische en mechanische voorgangers. De resonantiefrequentie van alle atomen van de voor de oscillator gekozen substantie zal, in tegenstelling tot slingers en piëzokristallen, hetzelfde zijn. Bovendien verslijten atomen niet en veranderen hun eigenschappen niet in de loop van de tijd. Ideaal voor een vrijwel eeuwige en uiterst nauwkeurige chronometer.

Voor het eerst werd in 1879 de mogelijkheid overwogen om energietransities tussen niveaus in atomen als frequentiestandaard te gebruiken door de Britse natuurkundige William Thomson, beter bekend als Lord Kelvin. Hij stelde voor waterstof te gebruiken als bron van resonatoratomen. Zijn onderzoek was echter nogal theoretisch van aard. De wetenschap was destijds nog niet klaar om een ​​atomaire chronometer te ontwikkelen.

Het duurde bijna honderd jaar voordat Lord Kelvins idee werkelijkheid werd. Het heeft lang geduurd, maar de taak was niet gemakkelijk. Het transformeren van atomen in ideale slingers bleek in de praktijk lastiger dan in theorie. De moeilijkheid lag in de strijd met de zogenaamde resonante breedte: een kleine fluctuatie in de frequentie van absorptie en emissie van energie terwijl atomen van niveau naar niveau bewegen. De verhouding tussen de resonantiefrequentie en de resonantiebreedte bepaalt de kwaliteit van de atomaire oscillator. Het is duidelijk dat hoe groter de waarde van de resonantiebreedte is, hoe lager de kwaliteit van de atoomslinger. Helaas is het niet mogelijk om de resonantiefrequentie te verhogen om de kwaliteit te verbeteren. Het is constant voor de atomen van elke specifieke stof. Maar de resonantiebreedte kan worden verkleind door de observatietijd van atomen te vergroten.

Technisch gezien kan dit als volgt worden bereikt: laat een externe, bijvoorbeeld kwarts, oscillator periodiek elektromagnetische straling opwekken, waardoor de atomen van de donorstof over energieniveaus heen springen. In dit geval is het de taak van de atomaire chronograaftuner om de frequentie van deze kwartsoscillator zo dicht mogelijk bij de resonantiefrequentie van de interniveau-overgang van atomen te brengen. Dit wordt mogelijk in het geval van een voldoende lange periode van observatie van atomaire trillingen en het creëren van feedback die de frequentie van kwarts regelt.

Toegegeven, naast het probleem van het verkleinen van de resonantiebreedte in een atomaire chronograaf zijn er nog veel andere problemen. Dit is het Doppler-effect: een verschuiving in de resonantiefrequentie als gevolg van de beweging van atomen en onderlinge botsingen van atomen, waardoor ongeplande energietransities en zelfs de invloed van de doordringende energie van donkere materie worden veroorzaakt.

De eerste poging tot praktische implementatie van atoomklokken werd in de jaren dertig van de vorige eeuw gedaan door wetenschappers van Columbia University onder leiding van de toekomstige Nobelprijswinnaar Dr. Isidor Rabi. Rabi stelde voor om de cesiumisotoop 133 Cs te gebruiken als bron van slingeratomen. Helaas werd Rabi's werk, dat de NBS enorm interesseerde, onderbroken door de Tweede Wereldoorlog.

Na voltooiing ging de leiding bij de implementatie van de atoomchronograaf over op NBS-medewerker Harold Lyons. Zijn atomaire oscillator werkte op ammoniak en gaf een fout die vergelijkbaar was met de beste voorbeelden van kwartsresonatoren. In 1949 werd de ammoniak-atoomklok aan het grote publiek gedemonstreerd. Ondanks de nogal middelmatige nauwkeurigheid implementeerden ze de basisprincipes van toekomstige generaties atoomchronografen.

Het prototype van een cesium-atoomklok, verkregen door Louis Essen, leverde een nauwkeurigheid op van 1 * 10 -9, terwijl het een resonantiebreedte had van slechts 340 Hertz

Even later verbeterde Norman Ramsey, professor aan de Harvard Universiteit, de ideeën van Isidor Rabi, waardoor de impact van het Doppler-effect op de nauwkeurigheid van metingen werd verminderd. Hij stelde voor om, in plaats van één lange hoogfrequente puls die atomen opwekt, twee korte te gebruiken die op enige afstand van elkaar naar de armen van de golfgeleider worden gestuurd. Dit maakte het mogelijk om de resonantiebreedte scherp te verkleinen en maakte het feitelijk mogelijk om atomaire oscillatoren te creëren die qua nauwkeurigheid een orde van grootte superieur zijn aan hun kwartsvoorouders.

In de jaren vijftig van de vorige eeuw werkte medewerker Louis Essen, gebaseerd op het door Norman Ramsey voorgestelde schema van het National Physical Laboratory (VK), aan een atomaire oscillator gebaseerd op de cesiumisotoop 133 Cs die eerder door Rabi was voorgesteld. Cesium is niet toevallig gekozen.

Schema van hyperfijne overgangsniveaus van atomen van de cesium-133-isotoop

Cesiumatomen behoren tot de groep van alkalimetalen en zijn extreem gemakkelijk opgewonden om tussen energieniveaus te springen. Een lichtstraal kan bijvoorbeeld gemakkelijk een stroom elektronen uit de atomaire structuur van cesium uitschakelen. Het is vanwege deze eigenschap dat cesium veel wordt gebruikt in fotodetectoren.

Ontwerp van een klassieke cesiumoscillator op basis van een Ramsey-golfgeleider

Eerste officiële cesiumfrequentiestandaard NBS-1

Afstammeling van NBS-1 - de NIST-7-oscillator gebruikte laserpompen van een straal cesiumatomen

Het duurde ruim vier jaar voordat het Essen-prototype een echte standaard werd. Een nauwkeurige aanpassing van atoomklokken was immers alleen mogelijk door vergelijking met bestaande efemeride tijdseenheden. In de loop van vier jaar werd de atomaire oscillator gekalibreerd door de rotatie van de maan rond de aarde te observeren met behulp van een precisiemaancamera, uitgevonden door William Markowitz van het US Naval Observatory.

De "aanpassing" van atoomklokken aan maan-efemeride werd uitgevoerd van 1955 tot 1958, waarna het apparaat officieel door de NBS werd erkend als frequentiestandaard. Bovendien was de ongekende nauwkeurigheid van cesium-atoomklokken voor NBS aanleiding om de tijdseenheid in de SI-standaard te wijzigen. Sinds 1958 is de tweede officieel aangenomen als “de duur van 9.192.631.770 perioden van straling die overeenkomen met de overgang tussen twee hyperfijnniveaus van de standaardtoestand van een atoom van de isotoop cesium-133.”

Het apparaat van Louis Essen heette NBS-1 en werd beschouwd als de eerste cesiumfrequentiestandaard.

In de daaropvolgende dertig jaar werden zes modificaties van NBS-1 ontwikkeld, waarvan de laatste, NIST-7, gemaakt in 1993 door magneten te vervangen door laservallen, een nauwkeurigheid biedt van 5 * 10 -15 met een resonantiebreedte van slechts zestig -twee Hertz.

Vergelijkingstabel met kenmerken van cesiumfrequentiestandaarden gebruikt door NBS

NBS-apparaten zijn stationaire standaards, waardoor ze kunnen worden geclassificeerd als standaarden in plaats van als praktisch gebruikte oscillatoren. Maar voor puur praktische doeleinden werkte Hewlett-Packard ten behoeve van de cesiumfrequentiestandaard. In 1964 creëerde de toekomstige computergigant een compacte versie van de cesiumfrequentiestandaard: het HP 5060A-apparaat.

De HP 5060-frequentiestandaarden, gekalibreerd volgens NBS-standaarden, passen in een typisch radioapparatuurrek en waren een commercieel succes. Het was dankzij de cesiumfrequentiestandaard van Hewlett-Packard dat de ongekende nauwkeurigheid van atoomklokken wijdverspreid werd.

Hewlett-Packard 5060A.

Als gevolg hiervan werden zaken als satelliettelevisie en -communicatie, mondiale navigatiesystemen en tijdsynchronisatiediensten voor informatienetwerken mogelijk. Er zijn veel toepassingen geweest voor de geïndustrialiseerde atomaire chronograaftechnologie. Tegelijkertijd bleef Hewlett-Packard daar niet bij en verbetert voortdurend de kwaliteit van de cesiumstandaarden en hun gewicht en afmetingen.

Hewlett-Packard-familie van atoomklokken

In 2005 werd de atoomklokdivisie van Hewlett-Packard verkocht aan Simmetricom.

Samen met cesium, waarvan de reserves in de natuur zeer beperkt zijn en de vraag ernaar op verschillende technologische gebieden extreem hoog is, werd rubidium, waarvan de eigenschappen zeer dicht bij cesium liggen, als donorstof gebruikt.

Het lijkt erop dat het bestaande atoomklokschema tot in de perfectie is gebracht. Ondertussen had het een vervelend nadeel, waarvan de eliminatie mogelijk werd in de tweede generatie cesiumfrequentiestandaarden, genaamd cesiumfonteinen.

Fonteinen van tijd en optische melasse

Ondanks de hoogste nauwkeurigheid van de NIST-7 atomaire chronometer, die gebruik maakt van laserdetectie van de toestand van cesiumatomen, verschilt het ontwerp niet fundamenteel van de ontwerpen van de eerste versies van cesiumfrequentiestandaarden.

Een ontwerpnadeel van al deze schema's is dat het fundamenteel onmogelijk is om de voortplantingssnelheid van een bundel cesiumatomen die in een golfgeleider beweegt te controleren. En dit ondanks het feit dat de bewegingssnelheid van cesiumatomen bij kamertemperatuur honderd meter per seconde bedraagt. Heel snel.

Dat is de reden waarom alle wijzigingen van cesiumstandaarden een zoektocht zijn naar een evenwicht tussen de grootte van de golfgeleider, die de tijd heeft om snelle cesiumatomen op twee punten te beïnvloeden, en de nauwkeurigheid van het detecteren van de resultaten van deze invloed. Hoe kleiner de golfgeleider, hoe moeilijker het is om opeenvolgende elektromagnetische pulsen te maken die dezelfde atomen beïnvloeden.

Wat als we een manier vinden om de snelheid van cesiumatomen te verminderen? Het was dit idee dat MIT-student Jerol Zacharius bezighield, die eind jaren veertig van de vorige eeuw de invloed van de zwaartekracht op het gedrag van atomen bestudeerde. Later, betrokken bij de ontwikkeling van een variant van de cesiumfrequentiestandaard Atomichron, stelde Zacharius het idee voor van een cesiumfontein - een methode om de snelheid van cesiumatomen terug te brengen tot één centimeter per seconde en zich te ontdoen van de dubbelarmige golfgeleider van traditionele atomaire oscillatoren.

Het idee van Zacharius was eenvoudig. Wat als je cesiumatomen verticaal in een oscillator zou afvuren? Dan zullen dezelfde atomen twee keer door de detector gaan: één keer tijdens hun reis naar boven, en opnieuw naar beneden, waar ze zich onder invloed van de zwaartekracht zullen haasten. In dit geval zal de neerwaartse beweging van atomen aanzienlijk langzamer zijn dan hun start, omdat ze tijdens hun reis in de fontein energie zullen verliezen. Helaas kon Zacharius in de jaren vijftig van de vorige eeuw zijn ideeën niet verwezenlijken. In zijn experimentele opstelling hadden atomen die naar boven bewogen een wisselwerking met atomen die naar beneden vielen, wat de nauwkeurigheid van de detectie in de war bracht.

Het idee van Zacharius kwam pas in de jaren tachtig terug. Wetenschappers van Stanford University, onder leiding van Steven Chu, hebben een manier gevonden om de Zacharius-fontein te realiseren met behulp van een methode die zij 'optische melasse' noemen.

In de Chu-cesiumfontein wordt een wolk van omhooggeschoten cesiumatomen voorgekoeld door een systeem van drie paar tegengestelde lasers met een resonantiefrequentie net onder de optische resonantie van de cesiumatomen.

Schema van een cesiumfontein met optische melasse.

De lasergekoelde cesiumatomen beginnen langzaam te bewegen, alsof ze door melasse gaan. Hun snelheid daalt tot drie meter per seconde. Het verminderen van de snelheid van atomen geeft onderzoekers de mogelijkheid om toestanden nauwkeuriger te detecteren (je moet toegeven dat het veel gemakkelijker is om de kentekenplaten van een auto te zien die met een snelheid van één kilometer per uur rijdt dan van een auto die met een snelheid van honderd kilometer per uur rijdt). kilometers per uur).

Een bal van gekoelde cesiumatomen wordt ongeveer een meter omhoog gelanceerd en passeert onderweg een golfgeleider, waardoor de atomen worden blootgesteld aan een elektromagnetisch veld met een resonantiefrequentie. En de detector van het systeem registreert voor het eerst de verandering in de toestand van atomen. Nadat ze het “plafond” hebben bereikt, beginnen de afgekoelde atomen door de zwaartekracht te vallen en gaan ze voor de tweede keer door de golfgeleider. Op de terugweg registreert de detector opnieuw hun toestand. Omdat de atomen extreem langzaam bewegen, is hun vlucht in de vorm van een vrij dichte wolk gemakkelijk te controleren, wat betekent dat er in de fontein niet tegelijkertijd atomen op en neer zullen vliegen.

De cesiumfonteinfaciliteit van Chu werd in 1998 door de NBS als frequentiestandaard aangenomen en kreeg de naam NIST-F1. De fout was 4 * 10 -16, wat betekent dat NIST-F1 nauwkeuriger was dan zijn voorganger NIST-7.

In feite bereikte NIST-F1 de grens van nauwkeurigheid bij het meten van de toestand van cesiumatomen. Maar wetenschappers stopten niet bij deze overwinning. Ze besloten de fout te elimineren die straling van zwarte lichamen introduceert in de werking van atoomklokken - het resultaat van de interactie van cesiumatomen met de thermische straling van het lichaam van de installatie waarin ze bewegen. De nieuwe NIST-F2 atoomchronograaf plaatste een cesiumfontein in een cryogene kamer, waardoor de straling van het zwarte lichaam tot bijna nul werd teruggebracht. De NIST-F2-fout is een ongelooflijke 3*10 -17.

Grafiek van foutreductie van standaardopties voor cesiumfrequentie

Momenteel bieden atoomklokken gebaseerd op cesiumfonteinen de mensheid de meest nauwkeurige tijdstandaard, ten opzichte waarvan de hartslag van onze technogene beschaving klopt. Dankzij technische trucs werden de gepulseerde waterstofmasers die cesiumatomen afkoelen in de stationaire versies van NIST-F1 en NIST-F2 vervangen door een conventionele laserstraal die samenwerkte met een magneto-optisch systeem. Dit maakte het mogelijk om compacte en zeer resistente versies van de NIST-Fx-standaarden te creëren die in ruimtevaartuigen kunnen worden gebruikt. Deze frequentiestandaarden, heel fantasierijk "Aerospace Cold Atom Clock" genoemd, worden geïnstalleerd in de satellieten van navigatiesystemen zoals GPS, wat zorgt voor hun verbazingwekkende synchronisatie om het probleem van de zeer nauwkeurige berekening van de coördinaten van de GPS-ontvangers die in onze gadgets worden gebruikt op te lossen.

Een compacte versie van de atoomklok van de cesiumfontein, genaamd de "Aerospace Cold Atom Clock", wordt gebruikt in GPS-satellieten

De tijdreferentieberekening wordt uitgevoerd door een "ensemble" van tien NIST-F2's, gevestigd in verschillende onderzoekscentra die samenwerken met de NBS. De exacte waarde van de atoomseconde wordt collectief verkregen, waardoor verschillende fouten en de invloed van de menselijke factor worden geëlimineerd.

Het is echter mogelijk dat op een dag de cesiumfrequentiestandaard door onze nakomelingen zal worden ervaren als een zeer grof mechanisme om de tijd te meten, net zoals we nu neerbuigend kijken naar de bewegingen van de slinger in de mechanische staande klokken van onze voorouders.

Als het licht plotseling uitgaat en even later weer aangaat, hoe weet je dan hoe laat je de klok moet zetten? Ja, ik heb het over elektronische horloges, die velen van ons waarschijnlijk hebben. Heb je er ooit over nagedacht hoe de tijd wordt gereguleerd? In dit artikel leren we alles over de atoomklok en hoe deze de hele wereld laat tikken.

Zijn atoomklokken radioactief?

Atoomklokken geven de tijd beter aan dan welke andere klok dan ook. Ze geven de tijd beter weer dan de rotatie van de aarde en de beweging van de sterren. Zonder atoomklokken zou GPS-navigatie onmogelijk zijn, zou het internet niet gesynchroniseerd zijn en zouden de posities van de planeten niet met voldoende nauwkeurigheid bekend zijn voor ruimtesondes en voertuigen.

Atoomklokken zijn niet radioactief. Ze zijn niet afhankelijk van atoomsplijting. Bovendien heeft het een veer, net als een gewoon horloge. Het grootste verschil tussen een standaardklok en een atoomklok is dat oscillaties in een atoomklok plaatsvinden in de kern van een atoom tussen de elektronen eromheen. Deze trillingen zijn nauwelijks evenwijdig aan het handwiel van een opwindhorloge, maar beide soorten trillingen kunnen worden gebruikt om het verstrijken van de tijd te volgen. De frequentie van trillingen binnen een atoom wordt bepaald door de massa van de kern, de zwaartekracht en de elektrostatische ‘veer’ tussen de positieve lading van de kern en de wolk van elektronen eromheen.

Welke soorten atoomklokken kennen we?

Tegenwoordig zijn er verschillende soorten atoomklokken, maar ze zijn op dezelfde principes gebouwd. Het belangrijkste verschil heeft betrekking op het element en de middelen voor het detecteren van veranderingen in energieniveaus. De verschillende soorten atoomklokken omvatten het volgende:

• Cesium-atoomklokken die gebruik maken van bundels cesiumatomen. De klok scheidt cesiumatomen met verschillende energieniveaus met behulp van een magnetisch veld.
• Een waterstofatoomklok houdt waterstofatomen op het juiste energieniveau in een container waarvan de wanden zijn gemaakt van een speciaal materiaal, zodat de atomen hun hoge energietoestand niet te snel verliezen.
• Rubidium-atoomklokken, de eenvoudigste en meest compacte van allemaal, gebruiken een glazen cel die rubidiumgas bevat.

De meest nauwkeurige atoomklokken maken tegenwoordig gebruik van een cesiumatoom en een conventioneel magnetisch veld met detectoren. Bovendien worden de cesiumatomen tegengehouden door de laserstralen, waardoor kleine frequentieveranderingen als gevolg van het Doppler-effect worden verminderd.

Hoe werken op cesium gebaseerde atoomklokken?

Atomen hebben een karakteristieke trillingsfrequentie. Een bekend voorbeeld van frequentie is de oranje gloed van natrium in keukenzout wanneer het in het vuur wordt gegooid. Een atoom heeft veel verschillende frequenties, sommige in het radiobereik, sommige in het zichtbare spectrum en sommige daartussenin. Cesium-133 wordt het vaakst gekozen voor atoomklokken.

Om de cesiumatomen in een atoomklok te laten resoneren, moet een van de overgangen, oftewel de resonantiefrequentie, nauwkeurig worden gemeten. Dit wordt meestal gedaan door een kristaloscillator in de fundamentele microgolfresonantie van het cesiumatoom te vergrendelen. Dit signaal bevindt zich in het microgolfbereik van het radiofrequentiespectrum en heeft dezelfde frequentie als rechtstreeks uitgezonden satellietsignalen. Ingenieurs weten tot in detail hoe ze apparatuur voor dit spectrumgebied moeten maken.

Om een ​​klok te creëren wordt cesium eerst verwarmd, zodat de atomen verdampen en door een hoogvacuümbuis worden geleid. Ze gaan eerst door een magnetisch veld, dat atomen met de gewenste energietoestand selecteert; ze gaan vervolgens door een intens microgolfveld. De frequentie van microgolfenergie springt heen en weer in een smal frequentiebereik, zodat deze op een bepaald punt een frequentie van 9.192.631.770 hertz (Hz, of cycli per seconde) bereikt. Het bereik van de microgolfoscillator ligt al dicht bij deze frequentie omdat deze wordt geproduceerd door een nauwkeurige kristaloscillator. Wanneer een cesiumatoom microgolfenergie met de gewenste frequentie ontvangt, verandert het zijn energietoestand.

Aan het einde van de buis scheidt een ander magnetisch veld atomen die hun energietoestand hebben veranderd als het microgolfveld de juiste frequentie had. De detector aan het uiteinde van de buis produceert een uitgangssignaal dat evenredig is aan het aantal cesiumatomen dat erop valt, en piekt wanneer de microgolffrequentie voldoende correct is. Dit pieksignaal is nodig voor correctie om de kristaloscillator, en daarmee het microgolfveld, op de gewenste frequentie te brengen. Deze geblokkeerde frequentie wordt vervolgens gedeeld door 9.192.631.770 om de bekende één puls per seconde te geven die de echte wereld nodig heeft.

Wanneer werd de atoomklok uitgevonden?

In 1945 stelde Isidor Rabi, hoogleraar natuurkunde aan de Columbia University, een klok voor die gemaakt kon worden op basis van technieken die in de jaren dertig waren ontwikkeld. Het werd atomaire straalmagnetische resonantie genoemd. In 1949 kondigde het National Bureau of Standards de oprichting aan van 's werelds eerste atoomklok op basis van het ammoniakmolecuul, waarvan de trillingen werden afgelezen, en in 1952 creëerde het 's werelds eerste atoomklok op basis van cesiumatomen, NBS-1.

In 1955 bouwde het National Physical Laboratory in Engeland de eerste klok met behulp van een cesiumstraal als kalibratiebron. In de loop van het volgende decennium werden er meer geavanceerde horloges gemaakt. In 1967, tijdens de 13e Algemene Conferentie over Gewichten en Maatregelen, werd de SI-seconde bepaald op basis van trillingen in het cesiumatoom. In het tijdregistratiesysteem van de wereld bestond er geen preciezere definitie dan deze. NBS-4, 's werelds meest stabiele cesiumklok, werd voltooid in 1968 en was in gebruik tot 1990.

Er heeft zich een sensatie verspreid over de wetenschappelijke wereld: de tijd verdampt uit ons universum! Tot nu toe is dit slechts een hypothese van Spaanse astrofysici. Maar het feit dat de tijdstroom op aarde en in de ruimte anders is, is al door wetenschappers bewezen. De tijd stroomt langzamer onder invloed van de zwaartekracht en versnelt naarmate deze zich van de planeet verwijdert. De taak van het synchroniseren van de aardse en kosmische tijd wordt uitgevoerd door waterstoffrequentiestandaarden, die ook wel ‘atoomklokken’ worden genoemd.

De eerste atoomtijd verscheen samen met de opkomst van de atoomklokken in de ruimtevaart; halverwege de jaren twintig. Tegenwoordig zijn atoomklokken een alledaags iets geworden; ieder van ons gebruikt ze elke dag: digitale communicatie, GLONASS, navigatie en transport werken met hun hulp.

Eigenaren van mobiele telefoons denken nauwelijks na over het complexe werk dat in de ruimte wordt uitgevoerd voor strikte tijdsynchronisatie, en we hebben het over slechts miljoensten van een seconde.

De exacte tijdstandaard wordt opgeslagen in de regio Moskou, bij het Wetenschappelijk Instituut voor Fysisch-Technische en Radiotechnische Metingen. Er zijn 450 van dergelijke horloges in de wereld.

Rusland en de VS hebben monopolies op atoomklokken, maar in de VS werken klokken op basis van cesium, een radioactief metaal dat zeer schadelijk is voor het milieu, en in Rusland op basis van waterstof, een veiliger, duurzaam materiaal.

Dit horloge heeft geen wijzerplaat of wijzers: het ziet eruit als een groot vat zeldzame en waardevolle metalen, gevuld met de meest geavanceerde technologieën: uiterst nauwkeurige meetinstrumenten en apparatuur met atomaire standaarden. Het proces van hun creatie is erg lang, complex en vindt plaats in omstandigheden van absolute onvruchtbaarheid.

De klok die op de Russische satelliet is geïnstalleerd, bestudeert al vier jaar donkere energie. Naar menselijke maatstaven verliezen ze gedurende vele miljoenen jaren hun nauwkeurigheid met 1 seconde.

Zeer binnenkort zullen er atoomklokken worden geïnstalleerd op Spektr-M, een ruimteobservatorium dat zal zien hoe sterren en exoplaneten worden gevormd, en voorbij de rand van het zwarte gat in het centrum van onze Melkweg zal kijken. Volgens wetenschappers stroomt de tijd hier vanwege de monsterlijke zwaartekracht zo langzaam dat hij bijna stopt.

tvroscosmos