kredit: Copyright Geoffrey hjul

den primære tid og frekvens standard for USA

NIST-F1, nationens primære tid og frekvens standard, er en cæsium springvand atomur udviklet på NIST laboratorier i Boulder, Colorado. NIST-F1 bidrager til den internationale gruppe af atomure, der definerer Coordinated Universal Time (UTC), den officielle verdenstid. Fordi NIST-F1 er blandt de mest nøjagtige ure i verden, gør det UTC mere præcis end nogensinde før.

usikkerheden ved NIST-F1 forbedres løbende. I 2000 var usikkerheden omkring 1 10-15, men fra januar 2013 er usikkerheden reduceret til omkring 3 10-16, hvilket betyder, at den hverken ville vinde eller tabe et sekund på mere end 100 millioner år! Grafen nedenfor viser, hvordan NIST-F1 sammenligner med tidligere atomure bygget af NIST. Det er nu cirka ti gange mere nøjagtigt end NIST-7, et atomur med cæsiumstråle, der fungerede som USAs primære tids-og frekvensstandard fra 1993-1999.

Teknisk beskrivelse

NIST-F1 kaldes et springvandsur, fordi det bruger en springvandlignende bevægelse af atomer til at måle frekvens og tidsinterval. For det første indføres en gas af cæsiumatomer i urets vakuumkammer. Seks infrarøde laserstråler er derefter rettet vinkelret på hinanden i midten af kammeret. Laserne skubber forsigtigt cæsiumatomerne sammen til en kugle. I processen med at skabe denne bold sænker laserne atomernes bevægelse og afkøler dem til temperaturer nær absolut nul.

to lodrette lasere bruges til forsigtigt at kaste bolden opad (“fountain” – handlingen), og derefter slukkes alle lasere. Dette lille skub er lige nok til at lægge bolden omkring en meter højt gennem et mikrobølgefyldt hulrum. Under tyngdekraftens indflydelse falder bolden derefter ned gennem mikrobølgehulen.

rundturen op og ned gennem mikrobølgehulen varer i cirka 1 sekund. Under turen ændres atomernes atomtilstande måske eller måske ikke, når de interagerer med mikrobølgesignalet. Når deres tur er færdig, peger en anden laser på atomerne. De atomer, hvis atomtilstand blev ændret af mikrobølgesignalet, udsender lys (en tilstand kendt som fluorescens). Fotonerne eller de små lyspakker, de udsender, måles af en detektor.

denne proces gentages mange gange, mens mikrobølgesignalet i hulrummet er indstillet til forskellige frekvenser. Til sidst findes en mikrobølgefrekvens, der ændrer tilstandene for de fleste cæsiumatomer og maksimerer deres fluorescens. Denne frekvens er den naturlige resonansfrekvens for cæsiumatomet (9.192.631.770 HS) eller den frekvens, der bruges til at definere den anden.

kombinationen af laserkøling og springvandsdesignet gør det muligt for NIST-F1 at observere cæsiumatomer i længere perioder og dermed opnå sin hidtil usete nøjagtighed. Traditionelle cæsiumure måler rumtemperaturatomer, der bevæger sig med flere hundrede meter i sekundet. Da atomerne bevæger sig så hurtigt, er observationstiden begrænset til et par millisekunder. NIST-F1 bruger en anden tilgang. Laserkøling sænker atomernes temperatur til et par milliontedele af en grad over absolut nul og reducerer deres termiske hastighed til et par centimeter pr. De laserkølede atomer lanceres lodret og passerer to gange gennem et mikrobølgehulrum, en gang på vej op og en gang på vej ned. Resultatet er en observationstid på ca.et sekund, som kun er begrænset af tyngdekraften, der trækker atomerne til jorden.

som du måske gætter, gør de længere observationstider det lettere at indstille mikrobølgefrekvensen. Den forbedrede indstilling af mikrobølgefrekvensen fører til en bedre realisering og kontrol af resonansfrekvensen af cæsium. Og selvfølgelig fører den forbedrede frekvensstyring til, hvad der er en af verdens mest nøjagtige ure.