Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Najbardziej precyzyjny zegar w historii – sekunda różnicy na istnienie wszechświata
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Eksperci z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) udoskonalili swój optyczny zegar atomowy, bazujący na uwięzionych jonach glinu, do tego stopnia, że mierzy on czas z dokładnością do 19 miejsc po przecinku. Oznacza to, że jego dokładność wynosi 1 sekundę na 317 miliardów lat. Jest on więc najdokładniejszym istniejącym obecnie zegarem. To efekt 20 lat ciągłych prac nad udoskonalaniem glinowego zegara. Urządzenie jest obecnie o 41% bardziej precyzyjne niż dotychczasowy rekordzista i 2,6-krotnie bardziej stabilne niż inne zegary jonowe.
Praca przy najbardziej precyzyjnym zegarze w historii jest niezwykle ekscytująca. W NIST prowadzimy długoterminowy program precyzyjnych pomiarów, dzięki którym poszerzamy naszą znajomość fizyki i lepiej poznajemy świat wokół nas, mówi Mason Marshall, główny autor artykułu, w który poinformowano o osiągnięciu.
Jony glinu umożliwiają zbudowanie wyjątkowo precyzyjnego, stabilnego zegara atomowego. Drgania jonów glinu, używane do pomiaru czasu, są bardziej stabilne niż drgania jonów cezu, które są obecnie wykorzystywane do definiowania sekundy, wyjaśnia David Hume, który stoi na czele zespołu rozwijającego glinowy zegar atomowy. Ponadto jony glinu nie są tak wrażliwe na niektóre z czynników zewnętrznych – na przykład na temperaturę czy pola magnetyczne – jak jony cezu.
Dlaczego wobec tego standardem w nauce są cezowe zegary atomowe i to one definiują sekundę? Otóż jony glinu jest trudno chłodzić i próbkować za pomocą lasera. A to niezbędne techniki zegarów atomowych. Dlatego też naukowcy z NIST połączyli jon aluminium z magnezem. Magnez nie drga tak dobrze jak glin, ale łatwo jest go kontrolować za pomocą lasera. Taki system nazywany jest kwantową spektroskopią logiczną, mówi pracująca przy projekcie studentka Willa Arthur-Dworschack. Jon magnezu chłodzi jon glinu. Porusza się też zgodnie ze swoim partnerem, dzięki czemu stan zegara można odczytać badając laserem stan jonu magnezu.
Zegar atomowy to niezwykle skomplikowana maszyneria, a każdy jego element wpływa na precyzję działania całości. Podczas prac nad udoskonaleniem zegara naukowcy musieli poprawić wiele elementów. Jednym z nich była pułapka, w której znajdują się jony. Sama pułapka powoduje nadmiarowe mikroruchy jonów, które negatywnie wpływają na precyzję zegara. Jest to spowodowane nierównowagą ładunku elektrycznego na przeciwnych jej końcach. Naukowcy przebudowali pułapkę, umieszczając ją na grubszym diamentowym podłożu i modyfikując złotą powłokę na elektrodach.
Kolejnym problemem był też system próżniowy, w którym znajduje się pułapka. Wodór przecieka przez stalowe ściany typowej komory próżniowej. Atomy wodoru zderzały się z jonami, przerywając ich pracę. Przez to co 30 minut konieczne było napełnianie pułapki nowymi jonami. Z problemem poradzono sobie zmieniając architekturę komory próżniowej i budując ją z tytanu. Wycieki wodoru zmniejszyły się 150-krotnie. To zaś spowodowało, że pułapka może działać nieprzerwanie przez wiele dni.
W końcu trzeba było poradzić sobie z jeszcze jednym problemem, koniecznością posiadania bardziej stabilnego lasera do zliczania ruchu jonu. Wersja zegara z 2019 roku musiała działać przez kilka tygodni, by uśrednić fluktuacje kwantowe, losowe zmiany stanu energetycznego jonów spowodowane działaniem lasera. Teraz skorzystano z pomocy laboratorium NIST kierowanego przez Juna Ye. Posiada ono jeden z najbardziej stabilnych laserów na świecie. W laboratorium tym znajduje się zresztą zegar atomowy korzystający z atomów strontu, który w swoim czasie był najbardziej precyzyjnym tego typu urządzeniem.
Za pomocą światłowodów wiązka lasera z laboratorium Ye została wysłana do laboratorium Tary Fortier z NIST, w którym znajduje się grzebień częstości optycznych. To rodzaj niezwykle precyzyjnej linijki do pomiaru częstości promieniowania optycznego. Ta linijka pozwoliła zespołowi pracującemu przy glinowym zegarze atomowym na porównanie swojego lasera z laserem z laboratorium Ye i przeniesienie jego stabilności do swojego laboratorium. Dzięki tej technice możliwe było próbkowanie jonów w zegarze przez pełną sekundę. Wcześniej próbkowanie takie mogło trwać nie dłużej niż 150 milisekund. W ten sposób zwiększono stabilność zegara, a czas potrzebny do osiągnięcia pomiaru rzędu 19 miejsc po przecinku skrócono z 21 do 1,5 dnia.
Pobicie rekordu precyzji pomiaru czasu przyczyni się do lepszego zdefiniowania sekundy, ułatwienia kolejnych odkryć naukowych i postępu technologicznego. Nowy zegar będzie miał swój udział w rozwoju technologii kwantowych, bardziej precyzyjnym badaniu Ziemi czy w poszukiwaniu fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
Źródło: High-Stability Single-Ion Clock with 5.5×10−19 Systematic Uncertainty, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hb3c-dk28
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Pojazdy kosmiczne i urządzenia znajdujące się poza Księżycem są uzależnione od komunikacji z Ziemią, dzięki której znają swoją pozycję. Przed 2 laty NASA wysłała w przestrzeń kosmiczną Deep Space Atomic Clock, dzięki któremu oddalone od Ziemi pojazdy i urządzenia mają zyskać więcej autonomii. Agencja poinformowała właśnie o ustanowieniu nowego rekordu długotrwałej stabilności zegara atomowego.
W celu wyliczenia trajektorii oddalonych od Ziemi pojazdów wykorzystuje się sygnały, wysyłane z Ziemi do pojazdu i odbierane ponownie na Ziemi. Używane są przy tym duże, wielkości lodówki, zegary atomowe na Ziemi, precyzyjnie rejestrujące czasy przybycia sygnałów. Jest to niezbędne do precyzyjnego określenia położenia pojazdu. Jednak dla robota pracującego np. a Marsie czy pojazdu podróżującego w znacznej odległości od Ziemi, konieczność oczekiwania na nadejście sygnału powoduje kumulujące się opóźnienia w pracy, które mogą łącznie trwać nawet wiele godzin.
Jeśli takie pojazdy czy urządzenia posiadałyby własne zegary atomowe, mogłyby samodzielnie obliczać swoją pozycję i trajektorię. Jednak zegary takie musiałyby być bardzo stabilne. Przykładem niech będą satelity GPS. Każdy z nich jest wyposażony w zegar atomowy, jednak zegary te muszą być wielokrotnie w ciągu dnia korygowane, by zachowały odpowiednią stabilność.
Wszystkie zegary atomowe mają pewien stopień niestabilności, co prowadzi do odchylenia wskazań od rzeczywistego upływu czasu. Jeśli odchylenia te nie będą korygowane, zaczną się nawarstwiać, co może mieć opłakane skutki dla urządzenia nawigującego w przestrzeni kosmicznej czy pracującego na odległej planecie.
Jednym z celów misji Deep Space Atomic Clock jest badanie stabilności zegara atomowego w coraz dłuższych odcinkach czasu. NASA poinformowała właśnie, że udało się jej osiągnąć stabilność rzędu poniżej 4 nanosekund na ponad 20 dni. To oznacza, że w tym czasie odchylenie wskazań pokładowego zegara atomowego od czasu rzeczywistego było nie większe niż wspomniane 4 nanosekundy.
Pozornie te 4 nanosekundy to niewiele, jednak, jak mówi Eric Burt, pracujący przy misji Deep Space Atomic Clock, fizyk specjalizujący się w zegarach atomowych, przyjmuje się, że niepewność rzędu 1 nanosekundy równa się niepewności rzędu 1 stopy, czyli ok. 30 centymetrów. Niektóre zegary systemu GPS muszą być aktualizowane kilkanaście razy na dobę, by zachować odpowiedni poziom stabilności. To oznacza, że GPS jest wysoce zależny od komunikacji z Ziemią. Deep Space Atomic Clock może być aktualizowany raz na tydzień lub rzadziej, co dawałoby takim urządzeniom jak GPS więcej autonomii, dodaje Burt.
Amerykanie robią więc szybkie postępy. Jeszcze jesienią 2020 roku stabilność ich eksperymentalnego zegara była 5-krotnie mniejsza niż obecnie. Ta różnica wynika nie tylko z udoskonalenia samego zegara, ale również z udoskonalenia metod pomiarów jego stabilności, co było możliwe dzięki zebraniu przez ostatnie miesiące dodatkowych danych.
Misja Deep Space Atomic Clock ma zakończyć się w sierpniu. NASA już jednak pracuje nad udoskonalonym Deep Space Atomic Clock-2, który zostanie dołączony do misji VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy). Podobnie jak jego poprzednik, będzie to misja demonstracyjna, której celem będzie zwiększenie możliwości urządzenia i opracowanie nieistniejących obecnie rozwiązań sprzętowych i programowych. W czasie misji VERITAS zegar będzie mógł pokazać, na co go stać i sprawdzimy jego potencjalną przydatność podczas przyszłych misji kosmicznych, zarówno w czasie badań naukowych jak i nawigacji, stwierdził Todd Ely, główny naukowiec Deep Space Atomic Clock.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Grupa ekspertów porównała trzy najlepsze na świecie zegary atomowe. Okazało się, że istnieją niespodziewane różnice w dokonywanych przez nie pomiarach czasu. Badania pozwolą na udoskonalenie przyszłych zegarów atomowych i mogą odegrać ważną rolę w ustaleniu nowego standardu sekundy, do którego to niezbędne jest wysyłanie na cały świat i porównywanie sygnałów z zegarów atomowych.
Specjaliści z Boulder Atomic Clock Optical Network Collaboration połączyli zegary za pomocą światłowodów i optycznych łączy bezprzewodowych i dokonali 10-krotnie bardziej dokładnych porównań niż dotychczas.
Zegary atomowe wykorzystują częstotliwość drgań atomów do niezwykle stabilnych pomiarów czasu. Obecny standard sekundy opiera się na drganiach atomów cezu pracujących z częstotliwością mikrofalową. Istnieją już jednak znacznie bardziej precyzyjne zegary atomowe wykorzystujące częstotliwość fali światła. Zegary te działają z dokładnością 1 części na 1018, są więc około 100-krotnie bardziej dokładne niż zegary cezowe.
Międzynarodowa społeczność metrologów ma zamiar zrezygnować ze standardu sekundy opartego na cezie i zastąpić go standardem wykorzystującym światło. Jednak najpierw trzeba wybrać, który z optycznych zegarów – a zbudowano ich już wiele według różnych technologii – posłuży za nowy standard. Naukowcy muszą więc porównać i ocenić te zegary, muszą więc mieć możliwość porównania generowanych przez nie sygnałów.
David Hume i jego koledzy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz University of Colorado porównali sygnały trzech zegarów atomowych z Boulder. Jeden z nich wykorzystuje atomy iterbu, drugi strontu, a trzeci jony glinu i magnezu.
Za pomocą światłowodu o długości 3,6 km porównano częstotliwości zegarów iterbowego (znajduje się w siedzibie NIST) oraz strontowego (jest na University of Colorado). Z kolei zegary iterbowy i magnezonowo-glinowy (oba są w NIST) połączono za pomocą 1,5 kilometrowego bezprzewodowego łącza optycznego. Specjaliści wykorzystali optyczne grzebienie częstości, które pozwoliły im porównywać sygnały w różnych częstotliwościach.
Optyczne łącze bezprzewodowe okazało się bardzo odporne na zakłócenia powodowane przez turbulencje powietrza. Z wyjątkiem sytuacji, gdy pomiarów dokonywano w czasie burzy śnieżnej, były ono równie stabilne i wydajne, co łącze przewodowe.
Ekspertom udało się zmierzyć stosunek częstotliwości trzech par zegarów z dokładnością 1/1018. Dotychczas podobne pomiary były dokonywane z dokładnością 1/1017.
Zegary porównywano przez wiele miesięcy, a naukowcy zauważyli niespodziewane różnice pomiędzy poszczególnymi dniami. To wskazuje, że eksperci nie do końca rozumieją, co wpływa na wydajność i sposób pracy zegarów. Można je zatem udoskonalić.
Możliwość lepszego porównywania zegarów atomowych przyda się nie tylko podczas ustalenia nowego standardu sekundy, ale przyniesie korzyści innym dziedzinom nauki. Zegary atomowe położone na różnej wysokości mogą być używane do pomiarów niewielkich przesunięć skorupy ziemskiej spowodowanych topnieniem lodowców czy rosnącym poziomem oceanów. Różnice pomiędzy zegarami atomowymi mogą też zostać wykorzystane do wykrycia ciemnej materii.
Wyniki badań opisano na łamach Nature.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.