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Der primäre Zeit- und Frequenzstandard für die Vereinigten Staaten

NIST-F1, der primäre Zeit- und Frequenzstandard des Landes, ist eine Cäsium-Brunnen-Atomuhr, die in den NIST-Laboratorien in Boulder, Colorado, entwickelt wurde. NIST-F1 trägt zur internationalen Gruppe von Atomuhren bei, die die koordinierte Weltzeit (UTC), die offizielle Weltzeit, definieren. Da NIST-F1 zu den genauesten Uhren der Welt gehört, ist UTC genauer als je zuvor.

Die Unsicherheit von NIST-F1 verbessert sich kontinuierlich. Im Jahr 2000 betrug die Unsicherheit etwa 1 x 10-15, aber ab Januar 2013 wurde die Unsicherheit auf etwa 3 x 10-16 reduziert, was bedeutet, dass sie in mehr als 100 Millionen Jahren weder eine Sekunde gewinnen noch verlieren würde! Die folgende Grafik zeigt, wie NIST-F1 im Vergleich zu früheren Atomuhren von NIST gebaut. Es ist jetzt ungefähr zehnmal genauer als NIST-7, eine Cäsiumstrahl-Atomuhr, die von 1993 bis 1999 als primärer Zeit- und Frequenzstandard der Vereinigten Staaten diente.

Technische Beschreibung

NIST-F1 wird als Brunnenuhr bezeichnet, da es eine brunnenartige Bewegung von Atomen verwendet, um Frequenz und Zeitintervall zu messen. Zuerst wird ein Gas aus Cäsiumatomen in die Vakuumkammer der Uhr eingeführt. Sechs Infrarot-Laserstrahlen werden dann im rechten Winkel zueinander in der Mitte der Kammer gerichtet. Die Laser drücken die Cäsiumatome sanft zu einer Kugel zusammen. Bei der Herstellung dieser Kugel verlangsamen die Laser die Bewegung der Atome und kühlen sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ab.

Zwei vertikale laser sind verwendet zu sanft werfen die ball nach oben (die „brunnen“ action), und dann alle der laser sind ausgeschaltet. Dieser kleine Stoß reicht gerade aus, um den Ball etwa einen Meter hoch durch einen mikrowellengefüllten Hohlraum zu werfen. Unter dem Einfluss der Schwerkraft fällt die Kugel dann durch den Mikrowellenhohlraum zurück.

Die Hin- und Rückfahrt durch den Mikrowellenhohlraum dauert etwa 1 Sekunde. Während der Reise können die atomaren Zustände der Atome verändert werden oder nicht, wenn sie mit dem Mikrowellensignal interagieren. Wenn ihre Reise beendet ist, wird ein weiterer Laser auf die Atome gerichtet. Diejenigen Atome, deren Atomzustand durch das Mikrowellensignal verändert wurde, emittieren Licht (ein Zustand, der als Fluoreszenz bekannt ist). Die Photonen oder die winzigen Lichtpakete, die sie emittieren, werden von einem Detektor gemessen.

Dieser Vorgang wird viele Male wiederholt, während das Mikrowellensignal im Hohlraum auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt ist. Schließlich wird eine Mikrowellenfrequenz gefunden, die die Zustände der meisten Cäsiumatome verändert und ihre Fluoreszenz maximiert. Diese Frequenz ist die natürliche Resonanzfrequenz des Cäsiumatoms (9.192.631.770 Hz) oder die Frequenz, die zur Definition der Sekunde verwendet wird.

Die Kombination aus Laserkühlung und Brunnendesign ermöglicht es NIST-F1, Cäsiumatome über längere Zeiträume zu beobachten und so seine beispiellose Genauigkeit zu erreichen. Traditionelle Cäsiumuhren messen Raumtemperatur-Atome, die sich mit mehreren hundert Metern pro Sekunde bewegen. Da sich die Atome so schnell bewegen, ist die Beobachtungszeit auf wenige Millisekunden begrenzt. NIST-F1 verwendet einen anderen Ansatz. Die Laserkühlung senkt die Temperatur der Atome auf einige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und reduziert ihre thermische Geschwindigkeit auf einige Zentimeter pro Sekunde. Die lasergekühlten Atome werden vertikal gestartet und passieren zweimal einen Mikrowellenhohlraum, einmal auf dem Weg nach oben und einmal nach unten. Das Ergebnis ist eine Beobachtungszeit von etwa einer Sekunde, die nur durch die Schwerkraft begrenzt ist, die die Atome zu Boden zieht.

Wie Sie sich vorstellen können, erleichtern die längeren Beobachtungszeiten die Einstellung der Mikrowellenfrequenz. Die verbesserte Abstimmung der Mikrowellenfrequenz führt zu einer besseren Realisierung und Kontrolle der Resonanzfrequenz von Cäsium. Und natürlich führt die verbesserte Frequenzregelung zu einer der genauesten Uhren der Welt.