Jesteś tutaj

Pierwszy polski optyczny zegar atomowy tyka w Toruniu!

  • W listopadzie w Krajowym Laboratorium FAMO w Toruniu zaczął tykać pierwszy w Polsce optyczny zegar atomowy. Zegary tego typu są w tej chwili najlepszymi znanymi ludzkości. Tylko kilka ośrodków badawczych na świecie może pochwalić się takim urządzeniem.
  • Chmura ekstremalnie zimnych atomów strontu w komorze próżniowej
  • Zegar optyczny to dziesiątki laserów i setki elementów optycznych
  • Komora, w której pułapkowane i badane są atomy strontu w eksperymencie Sr2.
  • Komora, w której pułapkowane i badane są atomy strontu w eksperymencie Sr1.
  • Optyczny grzebień częstotliwości.
  • Laboratorium Sr2
  • Świecący strumień atomów strontu w wiązce laserowej
  • Laboratorium Sr1
  • Lampa strontowa do stabilizacji laserów
  • Laboratorium Sr2

W listopadzie w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (FAMO) w Toruniu zaczął tykać pierwszy w Polsce optyczny zegar atomowy. Zegary tego typu są w tej chwili najlepszymi znanymi ludzkości. Tylko kilka ośrodków badawczych na świecie może pochwalić się takim urządzeniem.

Zastanawialiście się, skąd zegar wie, która jest godzina? Odpowiedź wydaje się prosta: od innego zegara. A ten drugi? W ten sposób zaczynamy poszukiwania pierwotnego, absolutnego wzorca, z którym możemy porównać nasz zegar. Tu muszę rozczarować Czytelników – taki idealny, pierwotny wzorzec nie istnieje. Nie ma absolutnej, łatwo dostępnej skali czasu! Skąd więc wiemy, która jest godzina? Wszystkie rzeczywiste skale czasu opierają się na zjawiskach okresowych, obserwacjach astronomicznych lub przyrządach fizycznych. Jednym słowem zawsze potrzebujemy jakiegoś wahadła, którego wychylenia zliczamy. Takim wahadłem mogą być zarówno ruchy ciał niebieskich, jak i szybko drgające pod wpływem napięcia kryształy (np. popularny kwarc). Tak się składa, że z im szybszymi drganiami mamy do czynienia, tym precyzyjniej i stabilniej działa nasz zegar. Popularny oscylator kwarcowy, który znajdziemy w zegarkach elektronicznych, drga kilkadziesiąt tysięcy razy na sekundę. Jeszcze lepsze są zegary atomowe, którym za wahadło służy fala elektromagnetyczna sprzężona z przejściem atomowym. Dochodzimy tu do wzorców drgających kilka miliardów razy na sekundę.

Era zegarów atomowych

To właśnie zegary atomowe w połączeniu z obserwacjami astronomicznymi tworzą współcześnie stosowaną skalę czasu UTC. Jak nadmieniono, nie ma idealnego pierwotnego zegara, zatem konieczne jest ciągłe porównywanie i uśrednianie między zegarami rozsianymi po całym świecie. Zajmują się tym organizacje międzynarodowe, a do swojej pracy potrzebują danych z jak największej liczby ośrodków dysponujących odpowiednio dokładnymi zegarami. Obecnie najpopularniejsze wzorce, które są uwzględniane w tym porównaniu, oparte są na przejściu elektronowym z zakresu mikrofal w atomach cezu lub wodoru. Na wzorcu cezowym oparta jest też współczesna definicja sekundy.

Naukowcy na całym świecie wciąż pracują nad konstrukcją coraz lepszych zegarów atomowych. Powstało już wiele rozwiązań, m.in. opartych na pojedynczych jonach różnych pierwiastków, ale w ostatnich latach absolutne rekordy dokładności i stabilności biją zegary atomowe, które bazują na przejściach optycznych w ekstremalnie zimnych atomach strontu, utrzymywanych w sieciach wytworzonych wiązkami laserowymi. Właśnie taki zegar zbudowali fizycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika oraz Uniwersytetu Warszawskiego w Krajowym Laboratorium FAMO w Toruniu.

 

Na ilustracji powyżej przedstawiono rozwój zegarów atomowych na przestrzeni lat. Na osi pionowej zaznaczona jest dokładność (im mniejsza tym lepiej) osiągana w różnych ośrodkach badawczych. Zielone punkty to zegary bazujące na przejściach w zakresie mikrofalowym. Jak widać ich szybki rozwój pozwolił na wprowadzenie nowej definicji sekundy w 1967 roku, która wcześniej była związana z ruchem Ziemi. Punktami fioletowymi i niebieskimi zaznaczono zegary bazujące na przejściach optycznych, gdzie dysponujemy “wahadłem” terahercowym (biliony drgań na sekundę). Spośród nich wyróżnione niebieskim kolorem są zegary podobne do tego pracującego w Toruniu, których sercem są ekstremalnie zimne atomy, trzymane w pułapkach laserowych. Przy każdym punkcie zaznaczony jest symbol pierwiastka, który służy za wzorzec. Fioletowe to inne zegary optyczne, które nie bazują na zimnych atomach, a np. jonach.

Jak widać, XXI wiek będzie erą optycznych zegarów atomowych i możemy się spodziewać coraz większego ich znaczenia w technice i codziennym życiu. Prawdopodobne jest również uaktualnienie definicji sekundy w niedalekiej przyszłości.

Czy taki zegar optyczny w Toruniu "zżera" dużo prądu i gdzie on ma wskazówki?

Przyjrzyjmy się bliżej laboratorium w Toruniu (galeria zdjęć na początku artykułu). Współczesny zegar wygląda nieco odbiega od naszych codziennych skojarzeń z tym urządzeniem. Aparatura, która składa się na zegar, zajmuje kilka pomieszczeń laboratoryjnych, wypełnionych masą elektroniki, komputerami, zaawansowaną aparaturą próżniową, kilkudziesięcioma laserami i setkami drobnych elementów optycznych, które tworzą tory laserowe.

Sercem optycznego zegara atomowego są atomy strontu schłodzone do temperatury bliskiej zera absolutnego. Chmura ekstremalnie zimnych atomów utrzymywana jest w próżni przy pomocy wiązek laserowych, odizolowana od wszelkich zaburzeń z zewnątrz. Dbałość o kontrolę i eliminację zaburzeń jest istotna, ponieważ chcemy jak najbardziej zbliżyć się do absolutnego, niedoścignionego wzorca danego przez naturę.

Na filmiku widzimy komorę próżniową, a w niej niebieską chmurę atomów. Nasza próbka drga w określonym rytmie, nazwywanym cyklem pomiarowym. Z każdym mrugnięciem wiąże się badanie przejścia elektronowego bardzo wąskim laserem (o ściśle określonej częstotliwości). Strojąc laser tak, aby pobudzał atomy strontu do świecenia na określonym przejściu elektronowym, otrzymujemy naturalny metronom, tykający bardzo szybko, biliony razy na sekundę. Pozostaje jeszcze kwestia zliczania drgań takiej fali elektromagnetycznej, czyli coś, co możemy utożsamiać z tarczą naszego zegara. Tu z pomocą przychodzi nam kolejny rewolucyjny wynalazek ostatnich lat: optyczny grzebień częstotliwości. Urządzenie potrafiące radzić sobie z takim zliczaniem.

W skład polskiego zegara wchodzą dwa wzorce atomowe z różnymi izotopami strontu, ultrawąski laser do ich badania oraz optyczny grzebień częstotliwości. W sumie cztery laboratoria, połączone kablami i światłowodami. A ile prądu potrzebuje taki zegar? Niedużo, kilka kilowatów, czyli mniej więcej tyle ile przeciętne mieszkanie.

Na zdjęciu: Pierwszy zegar cezowy w 1956 roku w National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii. Ta, wydawać by się mogło, karkołomna i niepraktyczna konstrukcja, doprowadziła do rewolucji w pomiarach czasu i zmieniła definicję sekundy. Obecnie zegary cezowe są powszechnie stosowane i mieszczą się w pudełku zapałek.

Mimo, że optyczne zegary atomowe są wciąż technologią przyszłości, już znajdują pierwsze zastosowania praktyczne w geodezji i precyzyjnej metrologii. Pewne jest, że w najbliższym czasie, jak niegdyś zegary cezowe, zrewolucjonizują współczesną naukę i technikę.

Warte uwagi

 

  • Obrazek użytkownika piotrowski
    O autorze:

    Marcin Piotrowski

    Wydawca portalu fiztaszki.pl, webmaster, redaktor działu fresh science.
    Fiztaszki popija zawsze yerba mate. Mimo tego, że w pracy w laboratorium ma do czynienia z ekstremalnie niskimi temperaturami, nie przepada za terrere. Oprócz kuchennego eksperymentowania, zajmuje się fiztaszkowym webmasteringiem. Aktualnie bada czy fiztaszkowa fizyka działa tak samo w Australii.

Dodaj komentarz