Credit: Copyright Geoffrey Wheeler

Yhdysvaltain ensisijainen aika-ja taajuusstandardi

NIST-F1, maan ensisijainen aika-ja taajuusstandardi, on cesium-lähteen atomikello, joka on kehitetty NIST Laboratoriesissa Boulderissa, Coloradossa. NIST-F1 on mukana kansainvälisessä atomikellojen ryhmässä, joka määrittelee koordinoidun Yleisajan (UTC), joka on virallinen maailmanaika. Koska NIST-F1 on yksi maailman tarkimmista kelloista, se tekee UTC: stä tarkemman kuin koskaan aiemmin.

NIST-F1: n epävarmuus paranee koko ajan. Vuonna 2000 epävarmuus oli noin 1 x 10-15, mutta tammikuusta 2013 lähtien epävarmuus on pienentynyt noin 3 x 10-16: een, eli se ei voittaisi eikä menettäisi sekuntiakaan yli 100 miljoonassa vuodessa! Alla olevasta grafiikasta näet, miten NIST-F1 vertautuu aiempiin NIST: n rakentamiin atomikelloihin. Se on nyt noin kymmenen kertaa tarkempi kuin NIST-7, Cesiumsäteen atomikello, joka toimi Yhdysvaltojen ensisijaisena aika-ja taajuusstandardina vuosina 1993-1999.

teknisestä kuvauksesta

NIST-F1: stä käytetään nimitystä lähdekello, koska se käyttää lähteenmaista atomien liikettä taajuuden ja aikavälien mittaamiseen. Ensin kellon tyhjiökammioon johdetaan cesiumatomeista koostuva kaasu. Tämän jälkeen kuusi infrapunalasersädettä suunnataan suorassa kulmassa toisiinsa nähden kammion keskellä. Laserit työntävät cesiumatomit varovasti yhteen palloksi. Tämän pallon syntyprosessissa laserit hidastavat atomien liikettä ja jäähdyttävät ne lähelle absoluuttista nollapistettä.

kahta pystysuoraa laseria käytetään heittämään palloa kevyesti ylöspäin (”suihkulähteen” toiminta), minkä jälkeen kaikki laserit sammutetaan. Tämä pieni työntö riittää juuri siihen, että pallo leijuu metrin korkuisena mikroaaltotäytteisen ontelon läpi. Painovoiman vaikutuksesta pallo putoaa takaisin mikroon.

Edestakainen matka ylös ja alas mikroaaltouunin ontelon läpi kestää noin 1 sekunnin. Matkan aikana atomien atomitilat saattavat muuttua tai olla muuttumatta, kun ne vuorovaikuttavat mikroaaltosignaalin kanssa. Kun niiden matka on päättynyt, toinen laser osoittaa atomeja. Ne atomit, joiden atomitilaa mikroaaltosignaali muutti, lähettävät valoa (tila tunnetaan fluoresenssina). Fotonit eli niiden lähettämät pienet valopaketit mitataan ilmaisimella.

Tämä prosessi toistuu monta kertaa, kun onkalossa oleva mikroaaltosignaali viritetään eri taajuuksille. Lopulta löydetään mikroaaltotaajuus, joka muuttaa useimpien cesiumatomien tiloja ja maksimoi niiden fluoresenssin. Tämä taajuus on cesiumatomin luonnollinen resonanssitaajuus (9,192,631,770 Hz) eli taajuus, jolla määritellään sekunti.

laserjäähdytyksen ja suihkulähteen rakenteen yhdistelmä antaa NIST-F1: lle mahdollisuuden tarkkailla cesiumatomeja pidempiä aikoja ja saavuttaa siten ennennäkemättömän tarkkuutensa. Perinteiset cesiumkellot mittaavat huoneenlämpöisiä atomeja, jotka liikkuvat useita satoja metrejä sekunnissa. Koska atomit liikkuvat niin nopeasti, havaintoaika rajoittuu muutamaan millisekuntiin. NIST-F1 käyttää erilaista lähestymistapaa. Laserjäähdytys pudottaa atomien lämpötilan muutamaan asteen miljoonasosaan absoluuttisen nollapisteen yläpuolelle ja vähentää niiden lämpönopeutta muutamaan senttiin sekunnissa. Laserjäähdytteiset atomit laukaistaan pystysuoraan ja ne kulkevat kaksi kertaa mikroaaltoaukon läpi, kerran matkalla ylös ja kerran alas. Tuloksena on noin sekunnin mittainen havaintoaika, jota rajoittaa vain atomeja maahan vetävä painovoima.

kuten arvata saattaa, pidemmät tarkkailuajat helpottavat mikroaaltotaajuuden virittämistä. Mikroaaltotaajuuden parannettu viritys johtaa cesiumin resonanssitaajuuden parempaan toteutumiseen ja hallintaan. Ja tietenkin parannettu taajuusohjaus johtaa siihen, mikä on yksi maailman tarkimmista kelloista.