Ceas atomic

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un ceas atomic complet cu echipamente de sprijin

Ceasul atomic L este un tip de ceas în care baza de timp este determinată de frecvența de rezonanță a unui atom .

Timp universal coordonat ( informații despre fișiere )
MIKES: semnal radiat de la un ceas atomic pe frecvența standard de 25 MHz

Caracteristici

Ceasurile atomice timpurii erau simple maser , completate de sisteme de detectare adecvate. În zilele noastre, cele mai bune ceasuri pentru a determina standardele de timp se bazează pe principiile complexului fizic care implică utilizarea atomilor reci și a fântânilor de atomi.

Institutele de metrologie mențin timpul standard cu o precizie de 1 nanosecundă pe zi și o precizie egală cu frecvența radio- emițătorului utilizată pentru a „pompa” maserul. Pe această bază, menține o scară de timp stabilă și continuă: Timpul internațional atomic .
Pentru calcularea timpului civil se folosește o scară diferită,Timpul universal coordonat (UTC). Al doilea derivă din primul, dar este sincronizat cu timpul astronomic, cel marcat de rotația Pământului.

Primul ceas atomic experimental a fost construit în 1949 și instalat la National Bureau of Standards , în Maryland , în județul Montgomery . Primul model suficient de precis, bazat pe tranzițiile nivelurilor de energie ale atomului de cesiu , a fost construit în 1955 de Louis Essen la National Physical Laboratory din Marea Britanie . A fost instalat la observatorul din Greenwich din Londra . Folosirea acestor ceasuri a condus în 1967 la definirea secundelor pe baza timpului atomic. Din 1972 (data introducerii „timpului atomic”) în 1999 s-au adăugat la totalul „timpului pământului” de 22 de secunde.

În august 2004 oamenii de știință de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie au prezentat un prototip experimental de ceas atomic integrat pe un cip . Autorii cred că acest dispozitiv are o sutime din dimensiunea celui mai mic ceas atomic anterior. De asemenea, ar necesita doar 75 mW de energie electrică pentru a funcționa, făcându-l potrivit pentru utilizarea în bateria dispozitivelor portabile.

Deocamdată cel mai bine este să folosiți ceasuri radio-controlate , cu care puteți primi un semnal de timp produs de ceasurile atomice în mod economic și practic.

Operațiune

Ceasurile maser atomice folosesc o cavitate rezonantă care conține un gaz ionizat. De obicei, este utilizat în cesiu , deoarece acest element a stat la baza definirii celui de- al doilea pentru o lungă perioadă a celei de-a doua jumătăți a secolului al XX-lea . Acest lucru face ca oscilatorul de cesiu să fie standardul principal pentru ceasurile atomice.

Inima unui ceas atomic este formată, precum și din magnetronul cavității deja menționat, de un radio reglabil oscilator / emițător și o buclă de feedback ( servo ) care reglează frecvența oscilatorului exact pe frecvența de rezonanță atomică. Transmițătorul umple cavitatea cu unde staționare ; când frecvența coincide cu frecvența atomică, electronii atomici absorb undele radio și sar la nivelul de energie mai înalt. Revenind la nivelul inițial, retransmiteți sub formă de lumină energia absorbită anterior. Dacă frecvența de pompare a dispozitivului se abate de la frecvența de rezonanță atomică, intensitatea luminii produse scade. O fotocelula detectează apoi variația și un circuit corectează frecvența pentru a aduce intensitatea luminoasă la valoarea maximă.

Feedback-ul schemei trebuie, de asemenea, să suprime efectele nedorite, cum ar fi frecvențele altor niveluri electronice sau distorsiuni în tranziții, variația temperaturii etc. De exemplu, frecvența undelor radio poate fi modulată ca un sân simplu, astfel încât luminozitatea fotocelulei să aibă o tendință variabilă de acest tip. Semnalul poate fi apoi utilizat pentru a monitoriza deriva frecvenței pe termen lung. Rezultatul este de a face generatorul de microunde să oscileze (într-o anumită marjă de eroare). Când sistemul este pornit, este nevoie de ceva timp pentru ca acesta să funcționeze până la viteză și să dea semnale de timp fiabile. Un contor numără ciclurile frecvenței originale și le comunică unui computer , care le prezintă sub formă numerică, sau le poate transmite prin radio sau rețea.

Există mai multe variante. Ceasurile de rubidiu au un cost redus, un spațiu limitat (modelele comerciale ocupă un volum de 400 cm 3) și o bună stabilitate termică pe termen scurt. Sunt utilizate în aplicații comerciale și în industria aerospațială. Hidrogenul maser (construit în special în Rusia ) sunt cronometre : au o stabilitate mai bună pe termen scurt a altor sisteme, dar își pierd treptat precizia.

Adesea se adoptă un standard pentru a corecta altul. De exemplu, în unele aplicații comerciale se folosește un oscilator de rubidiu pe un receptor GPS . Această metodă permite obținerea unei bune precizii pe termen scurt, cu o stabilitate pe termen lung se referă la standardele vremii SUA .

Durata de viață a unei referințe standard are, de asemenea, o importanță practică. Tuburile moderne de masurare a rubidiului durează peste zece ani și costă în jur de 50 EUR. Conductele către cesiu utilizate de birourile naționale de metrologie au o durată de viață de aproximativ șapte ani și costă mai mult de 30.000 €. Sistemele de hidrogen au o durată limitată de raportul dintre cantitatea de hidrogen acumulată (de obicei în buteliile cu hidrură din interior) și cea consumată pe unitate de timp.

Evoluții viitoare

Cercetările urmăresc în prezent să facă ceasurile atomice mai compacte, mai ieftine, mai precise și mai fiabile, chiar dacă aceste obiective sunt adesea în conflict unul cu celălalt.

Un ceas atomic pe un cip dezvoltat la NIST .

Multe studii se concentrează pe utilizarea ionilor capcană. Teoretic, un singur ion este ținut suspendat într-un câmp electromagnetic poate fi ținut sub observație pentru o perioadă lungă de timp, obținând în același timp o precizie mai mare și un consum și o dimensiune mai mici.
Ceasul cu un singur ion are stabilitate redusă pe termen scurt, deoarece ionul este supus vibrațiilor continue din cauza temperaturii. Din acest motiv, sistemele care utilizează răcirea cu laser a ionilor combinate cu rezonatoare optice, pentru a suprima efectele datorate zgomotului termic și mecanic.
Cea mai bună tehnică permite unui rezonator să răcească safirul la temperatura lichidului de heliu . Laserul, pe de altă parte, nu este utilizat pe scară largă. Ca urmare, capcanele de ioni actuale sunt compacte, dar dispozitivele auxiliare ocupă mult spațiu.
Unii cercetători au dezvoltat capcane de ioni cu geometrie diferită, de exemplu norii alungiți de ioni oferă o precizie mai bună pe termen scurt.

Unul dintre cele mai bune sisteme dezvoltate în prezent folosește ion mercur . A fost creat la NIST și folosește un impuls laser de femtosecundă . Are o precizie cu 5 ordine mai mari decât ceasurile cu cesiu. Designerii săi spun că ar putea fi oprit cu o secundă „după 4,5 miliarde de ani”.

Un izotop particular al ' itterbiului are o frecvență de rezonanță precisă și definită într-unul dintre nivelurile sale de tranziție hiperfină .
Stronțiul are o stare de tranziție hiperfină care nu este precisă, dar poate fi activată printr-o stare solidă laser, permițând realizarea unor dispozitive foarte ieftine, compacte și durabile. Recent s-a descoperit că atomul de aluminiu este cel mai precis: o eroare de o secundă la fiecare 5 miliarde de ani. [1] [2] .

În 2015 , s-a obținut un nou record: Laboratorul de metrologie cuantică al Institutului de cercetare pentru fizică și chimie din Japonia a folosit două rețele optice și atomi de stronțiu la -180 grade Celsius și calibrat cu două lasere creând un ceas care ar pierde o secundă la fiecare 15 miliarde de ani [3] (ar pierde mai puțin de o secundă pe toată durata universului până acum).

Cercetătorii de la NIST , care utilizează arhitectura inovatoare, au creat un ceas atomic 3D pentru a atinge o precizie de 3,5 cote de 10 miliarde de miliarde. Ceasul a fost realizat folosind atomi de stronțiu într-o rețea tridimensională. [4] [5]

Notă

  1. ^ Al doilea ceas cu logică cuantică bazat pe ionul de aluminiu al NIST este acum cel mai precis ceas din lume
  2. ^ Cel mai precis ceas atomic: eroare de 1 secundă în 5 miliarde de ani , în corriere.it, 23 ianuarie 2014. Adus pe 12 februarie 2015.
  3. ^ Nou record de precizie pentru un ceas , în corriere.it, 11 februarie 2015. Adus pe 12 februarie 2015.
  4. ^ Științe (eds), Ceasul atomic devine 3D , pe lescienze.it, 9 octombrie 2017.
  5. ^ (EN) http://science.sciencemag.org/content/358/6359/90 , A Fermi-degenerate tridimensional optic reticulare clock , in Science, vol. 358, nr. 6359, pp. 90-94, DOI : 10.1126 / science.aam5538 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 62574 · LCCN (EN) sh85009316 · GND (DE) 4259141-7 · BNF (FR) cb11980310n (dată) · NDL (EN, JA) 00.562.371