kredit: Copyright Geoffrey Wheeler

den primära tid och frekvens standard för USA

NIST-F1, landets primära tid och frekvens standard, är en cesium fontän atomur utvecklats vid NIST laboratorier i Boulder, Colorado. NIST-F1 bidrar till den internationella gruppen atomklockor som definierar koordinerad universell tid (UTC), den officiella världstiden. Eftersom NIST-F1 är bland de mest exakta klockorna i världen gör det UTC mer exakt än någonsin tidigare.

osäkerheten hos NIST-F1 förbättras ständigt. År 2000 var osäkerheten cirka 1 x 10-15, men från och med januari 2013 har osäkerheten minskat till cirka 3 x 10-16, vilket innebär att den varken skulle vinna eller förlora en sekund på mer än 100 miljoner år! Diagrammet nedan visar hur NIST-F1 jämförs med tidigare atomklockor byggda av NIST. Det är nu ungefär tio gånger mer exakt än NIST-7, en cesiumstråle atomur som fungerade som Förenta staternas primära tids-och frekvensstandard från 1993-1999.

Teknisk beskrivning

NIST-F1 kallas en fontänklocka eftersom den använder en fontänliknande rörelse av atomer för att mäta frekvens och tidsintervall. Först införs en gas av cesiumatomer i klockans vakuumkammare. Sex infraröda laserstrålar riktas sedan i rät vinkel mot varandra i mitten av kammaren. Lasrarna trycker försiktigt cesiumatomerna ihop i en boll. I processen att skapa denna boll sänker lasrarna atomernas rörelse och kyler dem till temperaturer nära absolut noll.

två vertikala lasrar används för att försiktigt kasta bollen uppåt (”fontänen” – åtgärden) och sedan stängs alla lasrar Av. Denna lilla push är precis tillräckligt för att loft bollen ungefär en meter hög genom en mikrovågsfylld hålighet. Under påverkan av tyngdkraften faller bollen sedan tillbaka ner genom mikrovågshålan.

rundturen upp och ner genom mikrovågskaviteten varar i cirka 1 sekund. Under resan kan atomernas atomtillstånd eller kanske inte förändras när de interagerar med mikrovågssignalen. När deras resa är klar pekar en annan laser på atomerna. De atomer vars atomtillstånd förändrades av mikrovågssignalen avger ljus (ett tillstånd som kallas fluorescens). Fotonerna, eller de små ljuspaketen som de avger, mäts med en detektor.

denna process upprepas många gånger medan mikrovågssignalen i kaviteten är inställd på olika frekvenser. Så småningom finns en mikrovågsfrekvens som förändrar tillstånden för de flesta cesiumatomerna och maximerar deras fluorescens. Denna frekvens är den naturliga resonansfrekvensen för cesiumatomen (9,192,631,770 Hz), eller frekvensen som används för att definiera den andra.kombinationen av laserkylning och fontändesignen gör att NIST-F1 kan observera cesiumatomer under längre perioder och därmed uppnå sin oöverträffade noggrannhet. Traditionella cesiumklockor mäter rumstemperatomer som rör sig med flera hundra meter per sekund. Eftersom atomerna rör sig så snabbt är observationstiden begränsad till några millisekunder. NIST-F1 använder ett annat tillvägagångssätt. Laserkylning sänker atomernas temperatur till några miljondelar av en grad över absolut noll och minskar deras termiska hastighet till några centimeter per sekund. De laserkylda atomerna lanseras vertikalt och passerar två gånger genom en mikrovågshålighet, en gång på väg upp och en gång på väg ner. Resultatet är en observationstid på ungefär en sekund, som endast begränsas av tyngdkraften som drar atomerna till marken.

som du kanske gissar gör de längre observationstiderna det lättare att ställa in mikrovågsfrekvensen. Den förbättrade inställningen av mikrovågsfrekvensen leder till en bättre realisering och kontroll av cesiums resonansfrekvens. Och naturligtvis leder den förbättrade frekvenskontrollen till vad som är en av världens mest exakta klockor.