Credit: drepturi de autor Geoffrey Wheeler

standardul principal de timp și frecvență pentru Statele Unite

NIST-F1, standardul principal de timp și frecvență al națiunii, este un ceas atomic cu fântână de cesiu dezvoltat la laboratoarele NIST din Boulder, Colorado. NIST-F1 contribuie la grupul internațional de ceasuri atomice care definesc Ora universală coordonată (UTC), ora oficială mondială. Deoarece NIST-F1 se numără printre cele mai precise ceasuri din lume, face UTC mai precis decât oricând.

incertitudinea NIST-F1 se îmbunătățește continuu. În 2000, incertitudinea a fost de aproximativ 1 x 10-15, dar din ianuarie 2013, incertitudinea a fost redusă la aproximativ 3 x 10-16, ceea ce înseamnă că nu va câștiga și nici nu va pierde o secundă în mai mult de 100 de milioane de ani! Graficul de mai jos arată cum se compară NIST-F1 cu ceasurile atomice anterioare construite de NIST. Acum este de aproximativ zece ori mai precis decât NIST-7, un ceas atomic cu fascicul de cesiu care a servit ca standard principal de timp și frecvență al Statelor Unite din 1993-1999.

descriere tehnică

NIST-F1 este denumit ceas de fântână deoarece folosește o mișcare de atomi asemănătoare fântânii pentru a măsura frecvența și intervalul de timp. În primul rând, un gaz de atomi de cesiu este introdus în camera de vid a ceasului. Șase raze laser infraroșii sunt apoi direcționate în unghi drept unul față de celălalt în centrul camerei. Laserele împing ușor atomii de cesiu împreună într-o bilă. În procesul de creare a acestei bile, laserele încetinesc mișcarea atomilor și le răcesc la temperaturi apropiate de zero absolut.

două lasere verticale sunt folosite pentru a arunca ușor mingea în sus (acțiunea „fântână”) și apoi toate laserele sunt oprite. Această mică împingere este suficientă pentru a ridica mingea la aproximativ un metru înălțime printr-o cavitate umplută cu microunde. Sub influența gravitației, mingea cade apoi înapoi prin cavitatea cu microunde.

călătoria dus-întors în sus și în jos prin cavitatea cuptorului cu microunde durează aproximativ 1 secundă. În timpul călătoriei, stările atomice ale atomilor ar putea sau nu să fie modificate pe măsură ce interacționează cu semnalul cu microunde. Când călătoria lor este terminată, un alt laser este îndreptat spre atomi. Acei atomi a căror stare atomică a fost modificată de semnalul cu microunde emit lumină (o stare cunoscută sub numele de fluorescență). Fotonii, sau pachetele mici de lumină pe care le emit, sunt măsurate de un detector.

acest proces se repetă de mai multe ori în timp ce semnalul microundelor din cavitate este reglat la frecvențe diferite. În cele din urmă, se constată o frecvență cu microunde care modifică stările majorității atomilor de cesiu și maximizează fluorescența lor. Această frecvență este frecvența de rezonanță naturală a atomului de cesiu (9.192.631.770 Hz) sau frecvența utilizată pentru a defini al doilea.

combinația de răcire cu laser și designul fântânii permite NIST-F1 să observe atomii de cesiu pentru perioade mai lungi și, astfel, să obțină o precizie fără precedent. Ceasurile tradiționale de cesiu măsoară atomii la temperatura camerei care se deplasează la câteva sute de metri pe secundă. Deoarece atomii se mișcă atât de repede, timpul de observare este limitat la câteva milisecunde. NIST-F1 folosește o abordare diferită. Răcirea cu Laser scade temperatura atomilor la câteva milioane de grade peste zero absolut și reduce viteza lor termică la câțiva centimetri pe secundă. Atomii răciți cu laser sunt lansați vertical și trec de două ori printr-o cavitate cu microunde, o dată pe drum în sus și o dată pe drum în jos. Rezultatul este un timp de observare de aproximativ o secundă, care este limitat doar de forța gravitațională care trage atomii la sol.

după cum ați putea ghici, timpii mai lungi de observare facilitează reglarea frecvenței cu microunde. Reglarea îmbunătățită a frecvenței microundelor duce la o mai bună realizare și control al frecvenței de rezonanță a cesiului. Și, desigur, controlul îmbunătățit al frecvenței duce la ceea ce este unul dintre cele mai precise ceasuri din lume.