Jam atom datang dalam pelbagai jenis. Sesetengahnya adalah elektronik berukuran cip, yang dibangunkan untuk tentera tetapi kini tersedia secara komersial, manakala jam atom yang lebih besar dan lebih tepat menjejaki masa pada satelit GPS. Tetapi semua jam atom bekerja pada prinsip yang sama. Atom tulen-sesetengah jam menggunakan sesium, yang lain menggunakan unsur-unsur seperti rubidium-mempunyai sejumlah elektron valensi, atau elektron dalam cangkang luar setiap atom. Apabila atom dipukul dengan frekuensi tertentu radiasi elektromagnet (gelombang cahaya atau gelombang mikro, misalnya), peralihan elektron valensi antara dua keadaan tenaga.
Pada tahun 1960-an, saintis berpaling dari mengukur masa berdasarkan orbit dan putaran badan angkasa dan mula menggunakan jam ini berdasarkan prinsip-prinsip mekanik kuantum. Ia mungkin kelihatan seperti cara yang aneh untuk mengukur masa, tetapi tempoh tertentu ayunan, atau "kutu, " dalam gelombang radiasi elektromagnetik adalah kaedah rasmi yang mana para saintis menentukan kedua. Khususnya, yang kedua adalah tempoh 9, 192, 631, 770 ayunan laser gelombang mikro yang akan menyebabkan atom cesium beralih.
Tetapi kita mempunyai jam atom yang lebih baik daripada yang mengukur sesium.
"Jika dua jam ytterbium kami telah dimulakan pada permulaan alam semesta, pada masa ini mereka akan tidak bersetuju antara satu sama lain dengan kurang daripada satu saat, " kata William McGrew, seorang ahli fizik di Institut Teknologi dan Teknologi Kebangsaan (NIST ), dalam e-mel.
Jam atom NST ultra-stabil kisi lattice. Atom Ytterbium dijana dalam ketuhar (silinder logam besar di sebelah kiri) dan dihantar ke ruang vakum di tengah foto yang dimanipulasi dan disiasat oleh laser. Cahaya laser diangkut ke jam dengan lima serat (seperti serat kuning di bahagian tengah foto). (James Burrus / NIST) Jam ytterbium di NIST, Yb-1 dan Yb-2, adalah jenis jam atom unik yang dikenali sebagai jam kekisi optik. Pada asasnya, jam menggunakan radiasi elektromagnet dalam frekuensi optik, atau laser, untuk memerangkap beribu-ribu atom ytterbium dan kemudian menyebabkan elektron luar mereka untuk peralihan antara keadaan tenaga tanah dan keadaan tenaga yang teruja. Berbanding dengan sesium, frekuensi radiasi elektromagnetik yang lebih tinggi diperlukan untuk menyebabkan ytterbium beralih.
Semua gelombang elektromagnet, dari gelombang radio ke sinar gamma, dan semua cahaya yang kelihatan di antara, adalah jenis gelombang yang sama yang terdiri daripada foton-perbezaannya ialah gelombang dengan frekuensi yang lebih tinggi berayun dengan lebih cepat. Ketuhar gelombang mikro, yang digunakan untuk peralihan cesium, diluaskan kepada panjang gelombang yang lebih panjang dan frekuensi yang lebih rendah daripada cahaya yang kelihatan. Menggunakan atom yang beralih pada frekuensi yang lebih tinggi adalah kunci untuk membina jam yang lebih baik. Sementara yang kedua pada masa ini kira-kira 9 bilion ayunan gelombang mikro, tempoh masa yang sama akan diwakili oleh lebih kurang kepada 50000000000 ayunan gelombang gelombang yang dapat dilihat, meningkatkan keupayaan saintis untuk mengukur masa yang tepat.
Sekiranya laser pengukuran pada jam ytterbium dipanggil ke frekuensi yang tepat, atom ytterbium akan melompat ke keadaan tenaga yang teruja. Ini berlaku apabila laser berada pada frekuensi tepat 518, 295, 836, 590, 863.6 Hertz-bilangan "kutu" dalam satu saat.
"Ini sepadan dengan panjang gelombang 578 nanometer, yang kelihatan kuning ke mata, " kata McGrew.
Pengukuran baru dengan Yb-1 dan Yb-2, yang diketuai oleh pasukan McGrew di NIST, telah mencapai rekod baru dalam tiga bidang ketepatan pengukuran utama, menghasilkan, dalam beberapa aspek, ukuran terbaik yang pernah dicapai oleh kedua. Khususnya, jam menetapkan rekod baru untuk ketidakpastian sistematik, kestabilan dan reproduktif. Pengukuran baru terperinci dalam makalah yang diterbitkan hari ini di Alam .
Jam optik ytterbium bahkan lebih tepat dalam aspek-aspek ini daripada jam air pancutan cesium yang digunakan untuk menentukan definisi satu saat. Jam ytterbium secara teknikal tidak lebih tepat daripada jam cesium, kerana ketepatan adalah secara khusus sejauh mana pengukuran adalah untuk definisi rasmi, dan tidak ada yang lebih tepat daripada jam cesium yang definisi itu berdasarkan. Walau bagaimanapun, metrik utama di sini adalah ketidakpastian yang sistematik - ukuran seberapa dekat jam yang menyedari ayunan sejati yang sebenar, tidak menimbulkan dan sejajar atom ytterbium (frekuensi tepat yang menyebabkan mereka beralih).
Ukuran baru sepadan dengan kekerapan semulajadi dalam kesilapan 1.4 bahagian dalam 10 18, atau kira-kira satu bilion daripada bilion. Jam sesesium hanya mencapai ketidakpastian sistematik kira-kira satu bahagian dalam 10 16 . Jadi berbanding dengan jam cesium, pengukuran ytterbium baru "akan menjadi 100 kali lebih baik, " kata Andrew Ludlow, ahli fisika NIST dan pengarang bersama kertas itu.
Cabaran dengan jenis pengukuran ini berurusan dengan faktor luaran yang boleh menjejaskan kekerapan semula jadi atom-atom ytterbium-dan kerana ini adalah beberapa ukuran yang paling sensitif yang pernah dicapai, setiap kesan fizikal alam semesta adalah faktor. "Hampir apa-apa yang kita boleh anggap sewenang-wenangnya sekarang akhirnya mempunyai kesan ke atas frekuensi ayunan atom, " kata Ludlow.
Kesan luaran yang mengalihkan frekuensi semulajadi jam termasuk sinaran hitam, graviti, medan elektrik, dan perlanggaran kecil atom. "Kami menghabiskan banyak masa untuk berusaha dengan berhati-hati dan ... memahami dengan tepat semua kesan yang berkaitan dengan mengawal kadar ticking jam-frekuensi peralihan-dan masuk dan membuat ukuran mereka pada atom sebenar untuk mencirikannya dan membantu kita memikirkan bagaimana kita dapat mengawal dan mengukur kesan-kesan ini. "
Untuk mengurangkan kesan faktor fizikal semulajadi, atom ytterbium, yang berlaku secara semulajadi dalam beberapa mineral, mula-mula dipanaskan ke keadaan gas. Kemudian penyejukan laser digunakan untuk mengurangkan suhu atom dari beratus darjah kelvin ke beberapa seribu darjah darjah, dan kemudian disejukkan lagi ke suhu kira-kira 10 mikrokelvin, atau 10 juta darjah di atas sifar mutlak. Atom kemudian dimuatkan ke ruang kebuk dan persekitaran pelindung terma. Laser pengukuran dipancarkan melalui atom dan digambarkan pada dirinya sendiri, mewujudkan "kekisi" yang merangkumi atom-atom di bahagian-bahagian tenaga yang tinggi gelombang yang tetap cahaya, dan bukannya gelombang yang berjalan, seperti penunjuk laser biasa.
Meningkatkan "kestabilan" dan "penentuan semula" pengukuran, yang jam ytterbium juga menetapkan rekod baru untuk, membantu untuk memperhatikan sebarang kuasa di luar yang menjejaskan masa. Kestabilan jam pada dasarnya adalah ukuran berapa banyak kekerapan yang berubah dari masa ke masa, yang telah diukur untuk Yb-1 dan Yb-2 pada 3.2 bahagian dalam 10 19 selama sehari. Reproduktif adalah ukuran seberapa dekat dua jam yang cocok satu sama lain, dan melalui 10 perbandingan perbedaan frekuensi antara Yb-1 dan Yb-2 telah ditentukan untuk menjadi kurang dari bilion bilion.
"Adalah penting untuk mempunyai dua jam, " kata McGrew. "Ketidakpastian disifatkan dengan memeriksa setiap perubahan yang boleh mengubah kekerapan peralihan. Walau bagaimanapun, selalu terdapat kemungkinan 'tidak diketahui', perubahan yang belum difahami. Dengan mempunyai dua sistem, adalah mungkin untuk memeriksa pencirian ketidakpastian anda dengan melihat apakah kedua-dua sistem bebas itu saling bersetuju. "
Ketepatan sedemikian dalam masa mengukur sudah digunakan oleh saintis, tetapi aplikasi praktikal untuk pengukuran yang lebih baik dari kedua termasuk kemajuan dalam navigasi dan komunikasi. Walaupun tiada siapa yang dapat mengenalinya pada masa itu, kerja awal dengan jam atom pada pertengahan abad ke-20 akhirnya membolehkan Sistem Penentududukan Global dan setiap industri dan teknologi yang bergantung kepadanya.
"Saya tidak fikir saya boleh meramalkan sepenuhnya apa aplikasi dalam 20 atau 50 tahun ini akan memberi manfaat paling banyak daripada ini, tetapi saya boleh mengatakan bahawa ketika saya melihat kembali dalam sejarah, beberapa kesan yang paling mendalam terhadap jam atom hari ini tidak dijangkakan, "Kata Ludlow.
Laser kuning salah satu jam kekisi optik ytterbium NIST. (Nate Phillips / NIST) Jam ytterbium juga boleh digunakan dalam penyelidikan fizik lanjutan, seperti pemodelan medan graviti dan kemungkinan pengesanan benda gelap atau gelombang graviti. Pada asasnya, jam sangat sensitif bahawa sebarang gangguan akibat perubahan graviti atau daya fizikal lain dapat dikesan. Sekiranya anda memposisikan beberapa jam ytterbium di seluruh dunia, anda boleh mengukur perubahan minit dalam graviti (yang lebih dekat dengan paras laut dan lebih dekat dengan tiang), membolehkan para saintis mengukur bentuk medan graviti Bumi dengan lebih tepat berbanding sebelum ini sebelum ini. Begitu juga, interaksi dengan zarah benda gelap, atau mungkin gelombang graviti yang mempengaruhi dua jam yang tersebar jauh, dapat dikesan.
"Secara saintifik, kami menggunakan ketepatan yang menakjubkan hari ini untuk beberapa kajian fizik asas-mencari bahan gelap, mencari variasi pemalar asas, mencari pelanggaran dalam beberapa teori Einstein dan perkara-perkara lain. ... Jika kita pernah menemui apa-apa pelanggaran [undang-undang fizik] dengan menggunakan alat-alat pengukuran yang luar biasa ini, ia boleh menjadi penukar permainan yang besar dalam pemahaman kita tentang alam semesta, dan oleh itu bagaimana sains dan teknologi akan berkembang dari sana ke luar.
Dalam tempoh 10 tahun ke depan, mungkin institusi sains pengukuran di dunia akan memutuskan untuk mentakrifkan semula kedua berdasarkan jam optik dan bukannya jam cesium. Ketidaksetipan semula itu mungkin tidak dapat dielakkan, kerana laser optik beroperasi pada frekuensi jauh lebih tinggi daripada ketuhar gelombang mikro, meningkatkan bilangan "kutu" jam yang terkandung dalam sesaat. Pengukuran jam ytterbium akan menjadi calon yang baik untuk definisi baru, tetapi jam kekisi optik menggunakan merkuri dan strontium juga menghasilkan keputusan yang menjanjikan, dan jam optik ion, yang menggantung dan beralih satu atom, memberikan satu lagi kemungkinan menarik untuk definisi baru.
Pengukuran fenomena atom semakin meningkat, dan di mana pemahaman kita tentang masa akan membawa kita, adalah mustahil untuk diketahui.
