Úvěru: Copyright Geoffrey Wheeler

Základní Časové a Frekvenční Standard pro Spojené Státy

NIST-F1, národ je primární časové a frekvenční standard, je cesium fontána atomic clock vyvinul v laboratoří NIST v Boulderu, Colorado. NIST-F1 přispívá k mezinárodní skupině atomových hodin, které definují koordinovaný univerzální čas (UTC), oficiální světový čas. Protože NIST-F1 patří mezi nejpřesnější hodiny na světě, činí UTC přesnější než kdykoli předtím.

nejistota NIST-F1 se neustále zlepšuje. V roce 2000 nejistota byla asi 1 x 10-15, ale od ledna 2013, nejistota byla snížena na asi 3 x 10-16, což znamená, že by se ani získat, ani ztratit sekundu na více než 100 milionů let! Níže uvedený graf ukazuje, jak se NIST-F1 porovnává s předchozími atomovými hodinami postavenými NIST. Nyní je přibližně desetkrát přesnější než NIST-7, atomové hodiny cesiového paprsku, které sloužily jako primární Časový a frekvenční standard Spojených států v letech 1993-1999.

Technický Popis

NIST-F1 je označován jako fontána hodiny, protože používá fontány-jako pohyb atomů pro měření frekvence a časového intervalu. Nejprve se do vakuové komory hodin zavede plyn atomů cesia. Šest infračervených laserových paprsků je pak směrováno v pravém úhlu k sobě ve středu komory. Lasery jemně tlačí atomy cesia dohromady do koule. V procesu vytváření této koule, lasery zpomalí pohyb atomů a ochladit na teploty blízké absolutní nule.

Dvě vertikální lasery se používají k jemně hodit míč nahoru („fontána“ akce), a pak všechny lasery jsou vypnuty. Tento malý tlak stačí k tomu, aby míč asi metr vysoký přes dutinu naplněnou mikrovlnnou troubou. Pod vlivem gravitace pak míč spadne zpět skrz mikrovlnnou dutinu.

zpáteční cesta nahoru a dolů mikrovlnnou dutinou trvá asi 1 sekundu. Během cesty, atomové stavy atomů mohou nebo nemusí být změněny, když interagují s mikrovlnným signálem. Když je jejich cesta dokončena, další laser je namířen na atomy. Ty atomy, jejichž atomový stav byl změněn mikrovlnným signálem, emitují světlo (stav známý jako fluorescence). Fotony nebo malé pakety světla, které emitují, jsou měřeny detektorem.

Tento proces se mnohokrát opakuje, zatímco mikrovlnná trouba signál v dutině je naladěné na různé frekvence. Nakonec se zjistí mikrovlnná frekvence, která mění stavy většiny atomů cesia a maximalizuje jejich fluorescenci. Tato frekvence představuje přirozenou frekvenci rezonanční frekvence atomu cesia (9,192,631,770 Hz), nebo frekvence používá k definování druhého.

kombinace laserového chlazení a konstrukce fontány umožňuje NIST-F1 pozorovat atomy cesia po delší dobu, a tak dosáhnout jeho bezprecedentní přesnosti. Tradiční cesiové hodiny měří atomy pokojové teploty pohybující se rychlostí několika set metrů za sekundu. Protože se atomy pohybují tak rychle, doba pozorování je omezena na několik milisekund. NIST-F1 používá jiný přístup. Laserové chlazení snižuje teplotu atomů na několik miliontin stupně nad absolutní nulu a snižuje jejich tepelnou rychlost na několik centimetrů za sekundu. Laserem chlazené atomy jsou spouštěny svisle a dvakrát procházejí mikrovlnnou dutinou, jednou na cestě nahoru a jednou na cestě dolů. Výsledkem je doba pozorování asi jedné sekundy, která je omezena pouze gravitační silou, která táhne atomy k zemi.

jak asi tušíte, delší doby pozorování usnadňují ladění mikrovlnné frekvence. Vylepšené ladění mikrovlnné frekvence vede k lepší realizaci a řízení rezonanční frekvence cesia. A samozřejmě, vylepšené řízení frekvence vede k tomu, co je jedním z nejpřesnějších hodin na světě.