AtomóraA NIST által bemutatott kicsinyített óra áramköri lapkája
Atomórának olyan típusú órát nevezünk, melyben atomok rezgésszámát használják fel egy pontos frekvencia előállítására. A frekvenciát számlálóba vezetik, amely másodpercet és abból származtatott nagyobb időegységeket mutat.
Atomórákkal már a 20. század elején kísérleteztek, 1949-ben a National Bureau of Standards (Amerikai Szabványügyi Hivatal, NBS, a későbbi NIST) épített egyet, melyben az ammóniagáz részecskéinek rezgését használták fel. Az első, cézium-133 atommal működő órát 1955-ben Louis Essen építette meg Angliában, a National Physical Laboratory-ban (Nemzeti Fizikai Laboratórium). Ezek után fogadták el nemzetközi egyetértéssel az atomórák által előállított másodpercet, mint a másodperc meghatározását.
A legjobb atomóra pontossága jelenleg az 5×10−19 nagyságrendben van 1 órás átlagolással, ezt 3-D kvantumgáz alkalmazásával érték el.[1]
2004 augusztusában az amerikai National Institute of Standards and Technology (NIST) (Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet, USA) bemutatott egy kicsinyített atomóra-változatot, mely a korábbi konstrukciókhoz képest nagyjából 1:100 méretű. A készülék mindössze 75 milliwatt energiát fogyaszt, így működtethető akár akkumulátorról is.
A hétköznapi életben használt rádióvezérelt órákat néha atomórának nevezik, ezek az órák azonban nem maguk állítják elő a pontos időt, hanem rádióhullámok útján veszik az atomórák által előállított jelet. Annyiban jogos a megnevezés, hogy ha a vétel naponta megtörténik, akkor az ilyen óra a nemzetközi atomórák idejét mutatja, vagyis a pontossága sokkal jobb más órákhoz viszonyítva.
Felfedezése
A mikrohullámok hatását már az 1930-as évektől kezdve vizsgálták. Az 1940-es évekbenIsidor Isaac Rabi javasolta, hogy atomok rezgését kellene felhasználni pontos óra készítésére. A második világháború során fejlesztették ki a radart, amely mikrohullámmal működik. A mikrohullám hatásának vizsgálatai során felfedezték, hogy a gázok közül az ammónia pontosan 23,87 GHz frekvencián rezgésbe jön, ennél kisebb vagy nagyobb frekvencián azonban nem.
Működése
Elvi működés
Az ammóniát egy kis kamrába zárják, aminek az egyik oldalához mikrohullámú gerjesztő eszköz csatlakozik (ez egyfajta lézer, amit „mézer”-nek neveznek), a másik oldalán pedig egy olyan eszköz van, ami a gáz rezgésére reagál. Ez utóbbi egy mérőeszköz, amelynek jelét visszavezetik a gerjesztő eszközhöz, így visszacsatolás jön létre. A mikrohullámú frekvencia finom változtatásával egy bizonyos frekvencián az ammóniaatomok rezgésbe jönnek. Ekkor a mérőeszközön a mért jel rendkívüli mértékben felerősödik. Kisebb vagy nagyobb frekvencián a jel erőssége meredeken csökken. A frekvencia beállítása automatikusan történik. Amikor a legnagyobb jelet kapják, az a frekvencia az ammónia ún. sajátfrekvenciája. Ez az érték a külső gerjesztő eszközön leolvasható.
Bár a rezgési sáv elég kicsi, mégis vannak problémák az óra működésével kapcsolatban. Az egyik problémát az okozza, hogy az ammóniamolekulák egymással és a kamra falával is ütköznek, ezért a kapott frekvencia kicsit „elkenődik”, kis mértékben pontatlanná válik. A másik probléma abból adódik, hogy az atomok egyszer a mérőeszköz felé, másszor meg az ellenkező irányba haladnak, ez pedig az ún. Doppler-effektus révén szintén a frekvencia megváltozásával jár.
(Az ammónia egy molekula, természetesen ennek atomjairól van szó)
A fenti problémák a céziummal kapcsolatban nem jelentkeznek. A cézium szobahőmérsékleten szilárd halmazállapotú, ezüstös fém. Az atommagot egy elektronfelhő veszi körül, amelyben egyetlen elektron van a legkülső héjon. Ennek az elektronnak kicsiny mágneses mezeje van, mintha a tengelye körül forogna. A céziumatom magja szintén forog, ezzel egy másik mágneses mezőt hoz létre. A két mágneses mező természetesen hatással van egymásra. Amikor a két mágneses tér ugyanabba az irányba mutat, az a céziumatom egyik energiaállapota, amikor a mágneses terek ellenkező irányba néznek, az egy másik energiaállapot. A kétféle állapot közötti átmenetre jellemző a 9 192 631 770 frekvencia. Az elektron vagy elnyeli, vagy kibocsátja az ennek a frekvenciának megfelelő energiájú fotont.
A céziummal működő atomóra gyakorlati működése
A céziumot felhevítik, és egy légüres csőbe vezetik. Az atomok a csőben egymás mellett haladnak (tehát nem ütköznek egymással, mint az ammónia esetén). Az atomok a haladásuk során egy mágneses térhez érnek, amelynek iránya merőleges az atomok haladási irányával. Ez azt eredményezi, hogy az atomok közül csak egyféle energiaállapotú atomok haladnak tovább a csőben, a többieket a mágneses tér eltéríti. A továbbhaladó atomokat mikrohullámmal gerjesztik, melynek frekvenciája igen közel van a fent megadott értékhez. Ha a gerjesztő frekvencia megegyezik a céziumatom rezonancia-frekvenciájával, akkor nagy számú atom változtatja meg az energiaállapotát. Ezután az atomok egy másik mágneses mezővel találkoznak, mely eltéríti azokat az atomokat, amelyek nem változtatták meg az energiaállapotukat, a többieket viszont átengedi. Ezek után egy érzékelő szonda következik, amibe a céziumatomok beleütköznek. Az érzékelő szonda a beléje ütköző atomok számával arányos jelet ad ki magából. Ezt a jelet visszavezetik oda, ahol a gerjesztő frekvencia értéke beállítódik, mégpedig olyan módon, hogy minél nagyobb számú atom érkezzen az érzékelőbe. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy a beállított frekvencia pontosan megegyezik az atomok saját rezonancia-frekvenciájával.
A szabványos másodperc
1967-ben a Mértékegységek Nemzetközi Rendszere (SI) a másodperc fogalmát úgy határozta meg, mint az alapállapotú 133Cs atom két hiperfinom energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő sugárzás 9 192 631 770 periódusának időtartama.[2] Ez a meghatározás a céziummal működő atomórát teszi elsődleges forrásnak az idő- és frekvenciaméréseknél. Más fizikai mennyiségek, mint például a volt vagy a méter, a saját szabványukban többek között a másodperc meghatározására támaszkodnak.
További atomóra-változatok
Ilyen például a rubídiummal működő atomóra, melynek kedvezőbb a költsége és kisebb a helyigénye a cézium-atomórához képest. Rövid távú stabilitása ugyanolyan jó. Sok kereskedelmi termékben megtalálható ez a fajta óra, mivel hordozható kivitelben készül. A légi közlekedésben is használják. A hidrogénnel működő atomórákat főleg Oroszországban készítik. Ennek kiváló a rövid távú stabilitása, olcsó, hosszú távon azonban kevésbé pontos.
A gyakorlati alkalmazásokban az órákat sokszor kombinálva használják, így például rubídiummal működő atomórát GPS-vevővel kötnek össze. Ezzel a megoldással kiváló rövid távú pontosságot lehet elérni, a hosszú távú stabilitás pedig megfelel a nemzetközi időszabvány kívánalmainak is.
A különböző órák élettartama
Egy szabvány élettartama fontos gyakorlati kérdés. A mai rubídiumcső legalább 10 évig használható, és mindössze 50 dollárnak megfelelő összegbe kerül. A céziumcső, amely a nemzetközi szabványoknak is megfelel, körülbelül 7 évig használható, és költsége 35 000 dollár. [mikor?] A hidrogénnel működő cső is alacsony költségű, élettartama korlátlan.
Továbbfejlesztés
A legtöbb jelenlegi kutatás arra irányul, hogyan lehetne az atomóra kisebb, olcsóbb, pontosabb vagy megbízhatóbb. Ezek a célok gyakran ellentmondásban vannak egymással.
Egy konkrét fejlesztés szerint mikrohullámú gerjesztés helyett fényt használnak. A fény magasabb frekvenciája egy stabil lézerrendszerrel együtt nagyobb frekvenciastabilitást tesz lehetővé. A 2000-es évben bemutatott femtomásodperces frekvenciafésűvel lehetővé vált az optikai tartományba eső frekvenciák mérése. A világon több helyen folyamatban van fénnyel működő atomóra kifejlesztése. Két alapvető technológia van kipróbálás alatt. Az egyik az "ioncsapdában elszigetelt egyionos" megoldás, a másik az "optikai rácsban fogvatartott semleges atom" módszer. Mindkettő lehetővé teszi, hogy az ion vagy az atom a külső zavaró hatásoktól teljesen el legyen szigetelve, így nagyon stabil frekvencia érhető el. További anyagokkal is folynak kísérletek, ilyenek többek között az alumínium (Al), a higany (Hg), a stroncium (Sr) és az itterbium (Yb).
Jelentősége
Az atomórák jelentősége nem csak az idő egyre pontosabb mérésében van, hanem a pontos idő felhasználható olyan hétköznapi területeken is, mint a GPS, de fontos szerepe van tudományos mértékegységek meghatározásában is (pl. hosszmérés), illetve a sötét anyag keresésében.[3]
Források
James Jespersen, Jane Fitz-Randolh: "From Sundials to Atomic Clocks" (US Department of Commerce, Technology Administration, National Institute of Standards and Technology, 1999)
Ez a szócikk részben vagy egészben az Atomic clock című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.
