Jak działa zegar atomowy?

„Najlepsze urządzenia do mierzenia czasu to zegary atomowe, które są ulepszane tak szybko, że każda lista rankingowa najlepszych zegarów na świecie staje się szybko nieaktualna”, twierdzi Thomas O’Brian (szef Time & Frequency Division w National Institute of Standards & Technology – NIST^[1]). Obecnym rekordzistą świata jest optyczny zegar oparty na stroncie znajdujący się w University of Colorado. Urządzenie jest tak dokładne, że jeśli będzie prowadzić nieprzerwane pomiary przez 5 miliardów lat nie straci ani nie zyska więcej niż 1 sekundę^[2]. Jako, że zegary stają się coraz bardziej wyrafinowane, O’Brian twierdzi, że pewnego dnia mogą powstać bardzo czułe detektory ludzkiej aktywności mózgu, a nawet czarnych dziur w kosmosie.

Każdy zegar, czy to oparty na tradycyjnym wahadle czy atomach, potrzebuje dwóch składników, aby mierzyć czas: oscylatora i licznika, który śledzi oscylację. W prehistorycznych czasach, oscylator był okresem wschodu i zachodu Słońca na niebie, zaś licznikiem był człowiek. Obserwując promienie słoneczne należało postawić znak na ścianie jaskini i można było powiedzieć: to jest dzień – wyjaśnia Jun Ye (lider zespołu, który zbudował strontowy zegar). Zegary atomowe jak sugeruje ich przydomek, wykorzystują jako oscylatory atomy, które naturalnie przemieszczają się z jednego poziomu energetycznego na drugi.

„Podstawowy limit dokładności pomiaru czasu wyznaczają mikrofale”, tłumaczy O’Brian. „Jeśli masz linijkę z drobniejszymi oznaczeniami, masz zamiar uzyskać bardziej dokładny odczyt”. Mikrofale mierzą częstotliwość około 1 mld cykli na sekundę. Światło lasera ma drobniejsze „oznaczenie” sięgające do 1 tryliona cykli na sekundę. Wniosek jest taki, że oscylację atomów można policzyć za pomocą mikrofal. Na przykład zegar cezowy ^[3] – stosowany obecnie do pomiaru czasu w USA – zawiera kulę z ultra zimnymi atomami cezu, która jest przerzucana przez mikrofalowe wnęki wysokiej próżni. W momencie przejścia atomów, mikrofale „szarpią” spin elektronów najbardziej oddalonych powłok. Badacze dostroili częstotliwość wnęki, aż do momentu zajścia w większości atomów tzw. przejścia nadsubtelnego^[4]. Zoptymalizowana mikrofalowa częstotliwość – 9, 192, 631, 770 Hz definiuje jedną sekundę w czasie.

Nawet jeśli zegary cezowe na całym świecie pomagają ustalić czas w urządzeniach cyfrowych to nie są najbardziej precyzyjnymi urządzeniami pomiarowymi na naszej planecie. Wysoka dokładność ma swoją cenę. Ponieważ urządzenia są czułe, nawet najmniejszy ruch w jednym z atomów podczas pomiaru może spowodować błędy. Naukowcy zapobiegają takim ruchom wykorzystując lasery, celem zatrzymania atomu w miejscu. Kraty zegara strontowego posiadają sieć krzyżujących się laserów, które potrafią złapać w pułapkę kilka tysięcy atomów strontu za jednym razem^[5]. Ruch atomów nie jest jedynym czynnikiem zaburzającym pomiar. Mogą to być zmiany pola grawitacyjnego, elektrycznego, magnetycznego oraz zmiana temperatury. W przeszłości naukowcy uwzględniali te czynniki w końcowym wyniku lub starali się im zapobiegać, natomiast teraz chcą wykorzystać te zjawiska do wykrywania zmian w polu grawitacyjnym i magnetyczny, wykorzystując wspomniane zegary atomowe.

Współpraca NIST z Instytutem Metrologii (Physikalish Technishe Bundesanstalt, Niemcy) zaowocowała badaniem pola magnetycznego wytwarzanego przez mózg osób z miniaturowych rubidowym zegarem atomowym^[6]. Zaś praca z zespołem University of California wykazała, że podobne urządzenia mogą przechwycić ziemskie słabe pole magnetyczne i służyć do spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego w mieszaninie węglowodorów z wodą^[7].