Typ | Hodiny |
---|
Datováno | 1948 |
---|
Atomové hodiny je čas , který používá kontinuita a neměnnost frekvence v elektromagnetického záření emitovaného elektronu při přechodu z jedné úrovně energie na druhou, aby zajistila přesnost a stabilitu oscilačního signálu, který se produkuje. Jedním z jeho hlavních použití je udržování mezinárodního atomového času (TAI) a distribuce koordinovaného univerzálního času (UTC), což jsou referenční časové stupnice.
Atomové hodiny se objevily ve dvacátém století.
V roce 1955 Louis Essen a Jack Parry s NPL (National Physical Laboratory) vytvořili prototypy atomových hodin s frekvencí 9 192 631 830 ± 10 cyklů za sekundu, tj. Chyba řádově 1 s po dobu 30 let.
V roce 1967 rozhoduje třináctá Generální konference pro míry a váhy:
„Druhým je přesné trvání 9 192 631 770 oscilací (nebo period) přechodu mezi hyperjemnými úrovněmi základního stavu atomu 133Cs (atom v klidu T = 0K)“
- CGPM
Dnes byly atomové hodiny transformovány do optických hodin a jsou dostatečně přesné, že měření času je ovlivněno změnou výšky 30 centimetrů od gravitačního efektu známého jako teorie obecné relativity. Výsledkem je, že cesium již nemusí představovat dostatečně přesnou referenci.
Stabilitu atomových spektrálních čar si lord Kelvin všiml již v roce 1879.
Atom přechází z excitovaného stavu energie E 2 ke stabilnímu stavu nižší energetické E 1 od spontánní emise jednoho fotonu z frekvence :
kde h = 6,626 070 040 (81) × 10 −34 Js = 4,135 667 662 (25) × 10 −15 eV.s je Planckova konstanta .
Naopak, atom do stabilnějšího stavu energie E 1 přejde do excitovaného stavu s vyšší energií E 2 pomocí absorpce fotonu frekvence ν = ( E 2 - E 1 ) / h = Δ E / h.
Známe také princip stimulované emise spočívající v přechodu atomu ze stavu excitované energie do stabilnějšího stavu po setkání s jiným fotonem. Energie atomu bude poté rozptýlena emisí dalšího fotonu, který bude mít stejné vlastnosti jako iniciátorový foton.
Existuje také nenulová pravděpodobnost, že atom v excitovaném stavu sestoupí do stabilnějšího a slabšího stavu neradiačním decitačním procesem , to znamená bez emitování fotonu. Protože systém poté musí uspokojit vztah zachování energie , výsledkem bude buď zahřátí atomu, nebo přenos hybnosti .
Tyto elementární atomové procesy, jejichž teorii částečně vyvinul Albert Einstein , budou základem veškeré interakce umožňující vyvinout atomový standard pro měření času.
Koncept jemné a hyperjemné strukturyPozorování světelných čar emisního nebo absorpčního spektra s vysokým rozlišením zdůrazňuje přítomnost superpozice několika složek ve stejné linii.
Hlavní linie je dána hlavním kvantovým číslem n charakterizujícím vlastní stavy vlnových funkcí jejích elektronických orbitalů. Na stejné hlavní kvantové úrovni bude teorie dávat řadu kvantových podúrovní odpovídajících degenerovaným kvantovým stavům, které budou vytvořeny různými fyzickými interakcemi uvnitř atomu (interakce spin-orbita, objemové efekty, efekty. Hmotnost atd. ). Tyto podúrovně jsou ve skutečnosti příčinou složené struktury hlavní linie pozorované ve spektru. Mluvíme pak o jemné struktuře nebo dokonce hyperjemné pro určité atomy za určitých podmínek magnetického pole.
Fyzický systém, zde vyhřívaná komora obsahující cesium , vytváří paprsek atomů.
V tomto paprsku jsou zachovány pouze atomy odpovídající požadovanému počátečnímu energetickému stavu, zde E 1 (výběr je proveden průhybem díky magnetickému poli).
Krystalový oscilátor (produkující signál na 10 MHz ) se násobí s cílem řídit mikrovlnný generátor s frekvencí vmax "(v blízkosti vmax ). Tento signál se poté vstřikuje do takzvané Ramseyho rezonanční dutiny.
Proud atomů ve stavu E 1 prochází Ramseyho dutinou: čím blíže bude frekvence ν ′ k ν , tím větší bude počet atomů, které absorpcí vlny projdou přechodem do l stavu E 2 .
Na výstupu prochází atomový paprsek druhou magnetickou výchylkou, která odděluje atomy ve stavu E 2 od atomů ve stavu E 1 .
Detektor umístěný v dráze atomů ve stavu E 2 produkuje signál úměrný počtu těchto atomů. Čím blíže je ν ′ k ν , tím větší je počet atomů E 2 počítaných na výstupu.
Servosystém neustále upravuje frekvenci krystalového oscilátoru tak, aby maximalizoval počet atomů ve stavu E 2 , a proto udržoval frekvenci oscilátoru blízko optimální frekvence. Frekvence oscilátoru je tedy podřízena frekvenci atomového přechodu.
V případě cesia, frekvence ν je 9 192 631 770 Hz . Tato hodnota je přesná, protože je to ta, která se používá k definování druhého i jeho inverzního k hertzu .
Čas se poté počítá dělením oscilací křemenného oscilátoru, spojený s elektronickým obvodem zobrazujícím například čas jako v křemenných hodinkách .
Oscilace lze také použít přímo k pohonu zařízení nebo zařízení vyžadujících stabilní pracovní frekvenci.
VýkonNejlepší cesia hodiny (v roce 2013) bylo dosaženo stability v řádu 1 x 10 -14 S, S -1 , a dosáhl hodnoty 2 x 10 -16 S, S -1 po několika dnech provozu. To znamená, že hodiny driftují 2 × 10–16 sekund za sekundu, což je často popularizováno tím, že se udává počet let potřebný k tomu, aby se hodiny driftovaly o celou sekundu, v tomto případě o jednu sekundu před 160 miliony let.
International Atomic Time je svět založený na definici atomové sekundy , vypočtené tak, aby Mezinárodní úřad pro míry a váhy v Sèvres , průměrováním asi 500 hodin atomových (2016) ve více než 70 laboratoří na světě. Tyto referenční hodiny jsou převážně atomu cesia , jiné pracují s rubidiem nebo s vodíkovým masérem .
Ve Francii zákonný čas generuje Národní metrologická a zkušební laboratoř - časoprostorový referenční systém (LNE-SYRTE) umístěný na pařížské observatoři . Je založen na údajích z přibližně stovky přístrojů, zejména šesti cesiových hodin a čtyř aktivních vodíkových masérů .
Atomové hodiny se také používají v satelitních pozičních systémech . To znamená, že satelity na základě GPS souhvězdí je GLONASS systém nebo jako u Galileo programu každý nést několik atomové hodiny, až čtyři pro GPS satelitů.
Dva testovací satelity GIOVE systému Galileo, vypuštěné v letech 2005 a 2008, nesly jeden rubidiové hodiny, druhý další vodíkový masér, což z něj dělá nejstabilnější časovou referenci, jakou kdy byla vyslána na oběžnou dráhu, a satelit nejúčinnější navigace v svět.
Atomové hodiny se také používají v telekomunikačních sítích k poskytování referenčního signálu k interním oscilátorům zařízení, aby byla zajištěna kvalita přenosu služeb v souladu s mezinárodními normami . Používáme buď signály přímo produkované atomovými hodinami, nebo signály produkované emisemi satelitů konstelace GPS, které mají stabilitu palubních atomových hodin.
Nedávný výzkum zaměřený na zlepšení přesnosti atomových hodin se zaměřil na další atomy ( vápník , ytterbium , stroncium , rtuť , hliník ) zachycené v optických mřížkách, jejichž energetické přechody probíhají při optických frekvencích (řádově 100 000krát větší než u atomových hodin ) přechod atomu cesia; BIPM stanovil přechod stroncia na 429 228 004 229 873,2 Hz vříjna 2015). V roce 2018 postavila společnost JILA hodiny, které manipulují s atomy pomocí laserů, které přesahují přesnost nejlepších cesiových hodin: přesnosti 2,5 × 10 −19 s s −1 bylo dosaženo hodinami pomocí trojrozměrné mřížky atomů. Stroncia.