محققین مؤسسه ملی استاندارد و فناوری [۱](NIST)، تیک تاک یک ساعت نوری که با پایداری بی سابقه ای کار می کند را با دقتی بی سابقه اندازه گیری کرده اند. این دستاورد بیانگر گامی بزرگ در استفاده از ساعت های اتمی نوری به منظور تعریف مجدد یک ثانیه است که به اندازه کافی دقیق و قابل اطمینان است. شایان ذکر است که در حال حاضر یک ثانیه بر اساس ساعت های اتمی مایکروویو تعریف شده است.

[۱] National Institute of Standards and Technology

.

---

آقای اندرو لودلو[۱]، یکی از رهبران تیم تحقیقاتی NIST  بیان دارد: “یک تعریف دقیق تر از ثانیه و یک زیرساخت بهتر برای ثبت زمان، از ادامه پیشرفت ها در سیستم های مبتنی بر زمان، نظیر ناوبری و ارتباطات حمایت می کند. همچنین بدین وسیله امکان اندازه گیری دقیق تر برای کشف پدیده های فیزیکی که هنوز کاملاً درک نشده اند، فراهم می شود.”

این تحقیقات جدید در مجله اپتیکا[۲]، گزارش شده است. در این زمینه آقای لودلو بیان دارد: “ساعت های نوری احتمالاً از دقت بسیار بالاتری برخوردار هستند، شاید ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بهتر از آنچه در این کار اندازه گیری کردیم. برای اثبات دقت واقعی این ساعت ها و بدون محدود شدن در تعریف امروزی ثانیه، باید مقایسه های دقیقی بین انواع مختلف ساعت های نوری انجام شود.”

ساعت ها با شمارش یک رویداد تکرار شونده با فرکانس مشخص، مانند پاندول در حال نوسان، کار می کنند. در ساعت های اتمی مرسوم، از نوسان طبیعی اتم سزیم که فرکانس آن در ناحیه مایکروویو طیف الکترومغناطیس است، استفاده می شود. از سال ۱۹۶۷ بر اساس معیار سیستم بین المللی یکاها (SI)، یک ثانیه برابر با ۹،۱۹۲،۶۳۱،۷۷۰ نوسانِ اتم سزیم تعریف شده است.

در ساعت های اتمی نوری از اتم هایی مانند ایتربیم و استرانسیم که حدود صدهزار برابر بالاتر از فرکانس های مایکروویو نوسان می کنند و در ناحیه اپتیکی یا مرئی طیف الکترومغناطیس قرار گرفته اند، استفاده می شود. این فرکانس های بالاتر به ساعت های نوری این امکان را می دهد که سریع تر از ساعت های اتمی مایکروویو تیک تاک کنند و در نتیجه پایداری و دقت آن ها بیشتر شود.

به منظور اثبات این مسئله که آیا زمان ثبت شده به وسیله یک ساعت نوری با ساعت های اتمی سزیم استاندارد امروزی مطابقت دارد، محققین فرکانس ساعت اتمی نوری ایتربیوم موجود در NIST را به ناحیه مایکروویو تبدیل کرده و با مجموعه ای از اندازه گیری های ساعت های اتمی سزیم سراسر جهان مقایسه کردند.

با مقایسه های انجام شده روشن شد که عدم قطعیت اندازه گیری فرکانس ساعت نوری ایتربیوم، ۲٫۱×۱۰^-۱۶ است. به این معنی که اگر این ساعت از آغاز هستی روشن می شد (۱۴ میلیارد سال) تا به امروز حدود ۱۰۰ ثانیه عقب مانده بود و بنابراین با استفاده از ساعت نوری، می توان اندازه گیری های ثبت شده با ساعت سزیم را با دقتی جدید ثبت کرد.

اگرچه ساعت های نوری بسیار دقیق هستند، اما به دلیل پیچیدگی فنی و پیچیدگی طراحی نمونه اولیه، احتمال از کار افتادگی آنها بیشتر است. محققین NIST به منظور جبران از کار افتادگی ساعت های نوری و نگه داشتن زمان، از هشت میزر[۳] هیدروژن استفاده کرده اند. میزرها که مانند لیزرهایی هستند که در محدوده مایکروویو کار می کنند، با اطمینان می توانند زمان را حفظ کنند اما دقت محدودی دارند.

تام پارکر[۴]، یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی، بیان دارد: “پایداری میزرها که یکی از بهترین مقیاس های زمان محلی در جهان است یکی از دلایلی است که ما توانستیم چنین مقایسه دقیقی با سزیم انجام دهیم.” آن ها با انجام ۷۹ اندازه گیری طی بیش از ۸ ماه، عدم قطعیت را کاهش دادند. این اولین بار است که اندازه گیری های ساعت نوری در چنین بازه زمانی طولانی گزارش شده است.

به منظور درک بهتر محدودیت های ساعت های نوری، محققین قصد دارند ساعت نوری ایتربیوم مورد استفاده در این مطالعه را با انواع ساعت های نوری در حال توسعه در NIST مقایسه کنند. در نهایت، ساعت های NIST را می توان با ساعت های نوری موجود در سایر کشورها مقایسه کرد تا مشخص شود کدام نوع از ساعت ها برای تعریف مجدد ثانیه در SI بهتر خواهد بود.

محققین خاطر نشان کردند که چندین سال طول می کشد تا تعریف مجددی از یک ثانیه ارائه شود و حتی اگر این تغییر رخ دهد، به کار بردن این استاندارد جدید به نوعی تکنولوژی نیاز دارد که سیگنال ها را به گونه ای از ساعت های نوری در سراسر جهان به هم متصل کرده و انتقال دهد تا ثبات و دقت زمان حفظ شود.

 

منبع:

OSA;https://www.osa.org/enus/about_osa/newsroom/news_releases/2019/new_superaccurate_optical_atomic_clocks_pass_crit/

 

[۱] Andrew Ludlow

[۲] Optica, The Optical Society’s (OSA; Washington, DC) Journal

[۳] Maser

[۴] Tom Parker