Atomuret findes i mange varianter. Nogle er elektronik i chipstørrelse, udviklet til militæret, men tilgængelig kommercielt nu, mens større og mere nøjagtige atomur holder styr på tiden på GPS-satellitter. Men alle atomur fungerer efter det samme princip. Rene atomer - nogle ure bruger cæsium, andre bruger elementer som rubidium - har et vist antal valenselektroner eller elektroner i det ydre skal af hvert atom. Når atomerne rammes med en specifik frekvens af elektromagnetisk stråling (for eksempel bølger af lys eller mikrobølger), overgår valenselektroner mellem to energitilstande.
I 1960'erne vendte forskere sig fra at måle tid baseret på bane og rotationer af himmellegemer og begyndte at bruge disse ure baseret på kvantemekanikens principper. Det kan virke som en mærkelig måde at måle tid på, men varigheden af et specifikt antal svingninger eller "kryds" i en bølge af elektromagnetisk stråling er den officielle metode, hvorpå forskere definerer det andet. Specifikt er et sekund varigheden af 9.192.631.770 svingninger af en mikrobølgelaser, som får cesiumatomer til at overgå.
Men vi har endnu bedre atomur end dem, der måler cæsium.
”Hvis vores to ytterbium-ure var blevet startet i begyndelsen af universet, på dette tidspunkt ville de være uenige med hinanden med mindre end et sekund, ” siger William McGrew, en fysiker ved National Institute of Standards and Technology (NIST ), i en e-mail.
NISTs ultra-stabile atomb-gitter-atomur. Ytterbiumatomer genereres i en ovn (stor metalcylinder til venstre) og sendes til et vakuumkammer i midten af billedet for at blive manipuleret og sonderet med lasere. Laserlys transporteres til uret med fem fibre (f.eks. Den gule fiber i billedets nederste centrum). (James Burrus / NIST) Ytterbium-urene ved NIST, Yb-1 og Yb-2 er en unik type atomur, der er kendt som et optisk gitterur. Væsentligt bruger urene elektromagnetisk stråling i den optiske frekvens, eller lasere, til at fange tusinder af ytterbiumatomer og derefter forårsage, at deres ydre elektroner overgår mellem en jordenergitilstand og en ophidset energitilstand. Sammenlignet med cæsium kræves en højere frekvens af elektromagnetisk stråling for at få ytterbium til at overgå.
Alle elektromagnetiske bølger, fra radiobølger til gammastråler og alt det synlige lys derimellem, er den samme type bølger, der består af fotoner - forskellen er simpelthen, at bølger med højere frekvenser svinger hurtigere. Mikrobølger, der bruges til at overføre cæsium, strækkes ud i længere bølgelængder og lavere frekvenser end synligt lys. Brug af atomer, der overgår ved højere frekvenser, er nøglen til at opbygge et bedre ur. Mens et sekund i øjeblikket er omkring 9 milliarder svingninger i en mikrobølgeovn, ville den samme varighed af tiden være repræsenteret ved nærmere 500 billioner svingninger af en bølge af synligt lys, hvilket forbedrer videnskabsmandernes evne til præcist at måle tid.
Hvis målelaseren på et ytterbiumur kaldes ind til nøjagtigt den rigtige frekvens, vil ytterbiumatomer springe op til den ophidsede energitilstand. Dette sker, når laseren har en frekvens på nøjagtigt 518.295.836.590.863, 6 Hertz - antallet af "kryds" på et sekund.
”Dette svarer til en bølgelængde på 578 nanometer, der ser gul ud for øjet, ” siger McGrew.
Nye målinger med Yb-1 og Yb-2, ledet af McGrews team hos NIST, har opnået nye rekorder på tre nøgleområder for målepræcision, hvilket i nogle henseender producerer de bedste målinger fra det andet nogensinde opnået. Specielt sætter ure nye rekorder for systematisk usikkerhed, stabilitet og reproducerbarhed. De nye målinger er detaljeret i et papir offentliggjort i dag i Nature .
De optiske ytterbium-ure er endnu mere præcise i disse aspekter end cæsium-springvandurene, der bruges til at bestemme definitionen af et sekund. Ytterbiumurene er teknisk set ikke mere nøjagtige end cæsiumurene, da nøjagtighed specifikt er, hvor tæt en måling er på den officielle definition, og intet kan være mere nøjagtigt end de cæsiumur, som definitionen er baseret på. Alligevel er nøglemetriken her systematisk usikkerhed - et mål for, hvor tæt uret realiserer den sande, uforstyrrede, naturlige svingning af ytterbiumatomer (den nøjagtige frekvens, der får dem til at overgå).
De nye målinger matcher den naturlige frekvens inden for en fejl på 1, 4 dele i 10 18 eller ca. en milliarddel af en milliardedel. Cesiumurene har kun opnået en systematisk usikkerhed på ca. en del af 10 16 . Så sammenlignet med cæsiumurene, ville de nye ytterbium-målinger "være 100 gange bedre, " siger Andrew Ludlow, en NIST-fysiker og medforfatter til papiret.
Udfordringen med disse typer målinger er at håndtere eksterne faktorer, der kan påvirke den naturlige frekvens af ytterbiumatomer - og fordi dette er nogle af de mest følsomme målinger, der nogensinde er opnået, er enhver fysisk effekt af universet en faktor. ”Næsten alt, hvad vi vilkårligt kunne tænke på lige nu, har til sidst en vis effekt på atomets svingningsfrekvens, ” siger Ludlow.
De eksterne effekter, der skifter urens naturlige frekvens, inkluderer stråling af sort krop, tyngdekraft, elektriske felter og let kollisioner af atomer. ”Vi bruger en masse af vores tid på at forsøge at gå nøje igennem og… forstå nøjagtigt alle de effekter, der er relevante for at rokke urets krydsfrekvens - den overgangsfrekvens - og gå ind og foretage målinger af dem på de faktiske atomer. at karakterisere dem og hjælpe os med at finde ud af, hvor godt vi virkelig kan kontrollere og måle disse effekter. ”
For at reducere virkningen af disse naturlige fysiske faktorer opvarmes først ytterbiumatomer, der forekommer naturligt i nogle mineraler, til gasformig tilstand. Derefter anvendes laserafkøling til at reducere temperaturen på atomerne fra hundreder af grader kelvin til et par tusindedele af en grad og derefter afkøles yderligere til temperaturer på ca. 10 mikrokelvin eller 10 milliondele af en grad over absolut nul. Atomer indlæses derefter i et vakuumkammer og et termisk afskærmningsmiljø. Målelaseren stråles gennem atomerne og reflekteres tilbage på sig selv, hvilket skaber ”gitteret”, der fanger atomerne i dele af høj energi i en stående bølge af lys snarere end en løbende bølge, såsom en typisk laserpeger.
Forbedring af "stabilitet" og "reproducerbarhed" af målingerne, som ytterbium-urene også sætter nye rekorder for, hjælper med til yderligere at tage højde for eventuelle eksterne kræfter, der påvirker urene. Urenes stabilitet er i det væsentlige et mål for, hvor meget frekvensen ændrer sig over tid, som er blevet målt for Yb-1 og Yb-2 ved 3, 2 dele i 10 19 i løbet af en dag. Reproducerbarhed er et mål for, hvor tæt de to ure matcher hinanden, og gennem 10 sammenligninger er frekvensforskellen mellem Yb-1 og Yb-2 blevet bestemt til at være mindre end en milliarddel af en milliardedel.
”Det er vigtigt at have to ure, ” siger McGrew. ”Usikkerhed er kendetegnet ved at undersøge hvert skift, der kan ændre overgangsfrekvensen. Der er dog altid muligheden for 'ukendte ukendte' skift, der endnu ikke er forstået. Ved at have to systemer er det muligt at kontrollere din karakterisering af usikkerhed ved at se, om de to uafhængige systemer er enige med hinanden. ”
En sådan præcision i målingstid bruges allerede af forskere, men de praktiske anvendelser af forbedrede målinger af det andet inkluderer fremskridt inden for navigation og kommunikation. Selvom ingen kunne have kendt det på det tidspunkt, ville det tidlige arbejde med atomur i midten af det 20. århundrede i sidste ende muliggøre det globale positioneringssystem og enhver industri og teknologi, der er afhængig af det.
”Jeg tror ikke, at jeg kunne forudsige fuldstændigt, hvilke anvendelser i 20 eller 50 år der vil have mest udbytte af dette, men jeg kan sige, at når jeg ser tilbage i historien, blev der ikke forventet nogle af de mest dybe konsekvenser af atomur i dag, ”Siger Ludlow.
De gule lasere fra en af NISTs ytterbium optiske gitterure. (Nate Phillips / NIST) Ytterbiumurene kunne også bruges i avanceret fysikforskning, såsom gravitationsfeltmodellering og mulig påvisning af mørkt stof eller gravitationsbølger. Grundlæggende er urene så følsomme, at enhver interferens som følge af skiftende tyngdekraft eller andre fysiske kræfter kunne detekteres. Hvis du placerede flere ytterbium-ure rundt om i verden, kunne du måle de minutmæssige ændringer i tyngdekraften (som er stærkere tættere på havoverfladen såvel som tættere på polerne), hvilket giver forskere mulighed for at måle formen på Jordens tyngdefelt med mere præcision end nogensinde Før. Tilsvarende kunne der påvises en interaktion med mørke stofpartikler eller endda muligvis tyngdekraftsbølger, der påvirker to ure spredt langt fra hinanden.
”Videnskabeligt bruger vi denne fantastiske præcision i dag allerede til nogle af disse grundlæggende fysikstudier - på udkig efter mørkt stof, på udkig efter variation af de grundlæggende konstanter, på udkig efter krænkelser i nogle af Einsteins teorier og andre ting. ... Hvis vi nogensinde opdager overtrædelser [af fysiklovene] ved at bruge disse utrolige måleværktøjer, kan det være en enorm spilskifte i vores forståelse af universet, og derfor hvordan videnskab og teknologi vil udvikle sig derfra og ud. ”
I løbet af de næste 10 år er det muligt, at målingens videnskabelige institutioner i verden beslutter at omdefinere det andet baseret på et optisk ur snarere end et cæsiumur. En sådan omdefinering er sandsynligvis uundgåelig, fordi optiske lasere fungerer på meget højere frekvenser end mikrobølger, hvilket øger antallet af "kryds" af uret indeholdt i et sekund. En ytterbiumurmåling ville være en god kandidat til en ny definition, men optiske gitterure ved anvendelse af kviksølv og strontium har også givet lovende resultater, og ionoptiske ure, der suspenderer og overfører et enkelt atom, giver en anden spændende mulighed for en ny definition.
Disse målinger af atomfænomener bliver mere og mere præcise, og hvor vores udviklende forståelse af tid vil tage os, er det umuligt at vide.
