de Crédito: Direitos de autor Geoffrey Wheeler

Primário de Tempo e Freqüência Padrão para os Estados Unidos

NIST-F1, a nação primário de tempo e freqüência padrão, é uma fonte de césio relógio atômico desenvolvido pelo NIST laboratórios em Boulder, Colorado. NIST-F1 contribui para o Grupo Internacional de relógios atômicos que define o Tempo Universal Coordenado (UTC), o tempo mundial oficial. Como o NIST-F1 está entre os relógios mais precisos do mundo, torna o UTC mais preciso do que nunca.

a incerteza de NIST-F1 está a melhorar continuamente. Em 2000 a incerteza era de cerca de 1 x 10-15, mas a partir de janeiro de 2013, a incerteza foi reduzida para cerca de 3 x 10-16, o que significa que não ganharia nem perderia um segundo em mais de 100 milhões de anos! O gráfico abaixo mostra como o NIST-F1 se compara aos relógios atômicos anteriores construídos pelo NIST. É agora aproximadamente dez vezes mais preciso do que o NIST-7, um relógio atômico de feixe de césio que serviu como o horário primário e padrão de frequência dos Estados Unidos de 1993-1999.

Descrição técnica

NIST-F1 é referido como um relógio de fonte porque ele usa um movimento de fonte de átomos para medir a frequência e o intervalo de tempo. Primeiro, um gás de átomos de césio é introduzido na câmara de vácuo do relógio. Seis raios laser infravermelhos, em seguida, são direcionados em ângulos retos um para o outro no centro da Câmara. Os lasers empurram suavemente os átomos de césio para uma bola. No processo de criação desta bola, os lasers diminuem o movimento dos átomos e arrefecem-nos a temperaturas próximas do zero absoluto.

Duas verticais lasers são utilizados para, gentilmente, jogue a bola para cima (a “fonte” de ação) e, em seguida, todos os lasers são desligados. Este empurrãozinho é o suficiente para esconder a bola com um metro de altura através de uma cavidade cheia de microondas. Sob a influência da gravidade, a bola então cai de volta através da cavidade de microondas.a viagem de ida e volta pela cavidade de microondas dura cerca de 1 segundo. Durante a viagem, os Estados atômicos dos átomos podem ou não ser alterados à medida que interagem com o sinal de microondas. Quando sua viagem é concluída, outro laser é apontado para os átomos. Os átomos cujo estado atômico foi alterado pelo sinal de microondas emitem luz (um estado conhecido como fluorescência). Os fótons, ou os pequenos pacotes de luz que emitem, são medidos por um detector.

Este processo é repetido muitas vezes, enquanto o sinal de micro-ondas na cavidade é ajustado para diferentes frequências. Eventualmente, uma frequência de microondas é encontrada que altera os estados da maioria dos átomos de césio e maximiza sua fluorescência. Esta frequência é a frequência de ressonância natural do átomo de césio (9,192,631,770 Hz), ou a frequência usada para definir o segundo.a combinação do arrefecimento por laser e do desenho da fonte permite que NIST-F1 observe átomos de césio por períodos mais longos, alcançando assim a sua precisão sem precedentes. Relógios de césio tradicionais medem átomos de temperatura ambiente movendo-se a várias centenas de metros por segundo. Uma vez que os átomos estão se movendo tão rápido, o tempo de observação é limitado a alguns milissegundos. NIST-F1 usa uma abordagem diferente. O resfriamento a Laser baixa a temperatura dos átomos para alguns milionésimos de um grau acima do zero absoluto, e reduz sua velocidade térmica a poucos centímetros por segundo. Os átomos arrefecidos a laser são lançados verticalmente e passam duas vezes através de uma cavidade de microondas, uma no caminho para cima e outra no caminho para baixo. O resultado é um tempo de observação de cerca de um segundo, que é limitado apenas pela força da gravidade puxando os átomos para o solo.

Como você pode adivinhar, os tempos de observação mais longos tornam mais fácil sintonizar a frequência de microondas. A melhoria da sintonização da frequência de microondas leva a uma melhor realização e controle da frequência de ressonância do césio. E é claro, o controle de frequência melhorado leva ao que é um dos relógios mais precisos do mundo.