Ora atomike. Zhvillimi dhe aplikimet e nanoteknologjive të ardhshme: nanoteknologjitë më të fundit aktuale në mjekësi dhe prodhim

Orët atomike janë instrumentet më të sakta për matjen e kohës që ekzistojnë sot dhe po bëhen gjithnjë e më të rëndësishme ndërsa teknologjia moderne zhvillohet dhe bëhet më komplekse.

Parimi i funksionimit

Orët atomike mbajnë kohën e saktë jo për shkak të zbërthimit radioaktiv, siç mund të sugjerojë emri i tyre, por duke përdorur dridhjet e bërthamave dhe elektroneve që i rrethojnë. Frekuenca e tyre përcaktohet nga masa e bërthamës, graviteti dhe "balancuesi" elektrostatik midis bërthamës së ngarkuar pozitivisht dhe elektroneve. Kjo nuk korrespondon plotësisht me një lëvizje të rregullt të orës. Orët atomike janë ruajtës më të besueshëm të kohës sepse lëkundjet e tyre nuk ndryshojnë në varësi të faktorëve mjedisorë si lagështia, temperatura ose presioni.

Evolucioni i orëve atomike

Me kalimin e viteve, shkencëtarët kanë kuptuar se atomet kanë frekuenca rezonante që lidhen me aftësinë e secilit për të absorbuar dhe lëshuar rrezatim elektromagnetik. Në vitet 1930 dhe 1940, komunikimet me frekuencë të lartë dhe pajisjet e radarit u zhvilluan që mund të ndërlidheshin me frekuencat e rezonancës së atomeve dhe molekulave. Kjo kontribuoi në idenë e një ore.

Shembujt e parë u ndërtuan në vitin 1949 nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë (NIST). Amoniaku u përdor si një burim vibrimi. Megjithatë, ato nuk ishin shumë më të sakta se standardi ekzistues i kohës, dhe ceziumi u përdor në gjeneratën e ardhshme.

Standard i ri

Ndryshimi në saktësinë e matjes së kohës ishte aq i madh sa në vitin 1967 Konferenca e Përgjithshme mbi Peshat dhe Masat e përcaktoi SI të dytën si 9,192,631,770 dridhje të një atomi ceziumi në frekuencën e tij rezonante. Kjo do të thoshte se koha nuk ishte më e lidhur me lëvizjen e Tokës. Ora atomike më e qëndrueshme në botë u krijua në vitin 1968 dhe u përdor si pjesë e sistemit të matjes së kohës NIST deri në vitet 1990.

Makinë përmirësimi

Një nga përparimet më të fundit në këtë fushë është ftohja me lazer. Kjo përmirësoi raportin sinjal-zhurmë dhe zvogëloi pasigurinë në sinjalin e orës. Strehimi i këtij sistemi ftohës dhe pajisjeve të tjera të përdorura për të përmirësuar orët e ceziumit do të kërkonte hapësirë ​​sa një makinë hekurudhore, megjithëse versionet komerciale mund të futeshin në një valixhe. Një nga këto instalime laboratorike ruan kohën në Boulder, Kolorado, dhe është ora më e saktë në Tokë. Ata gabojnë vetëm 2 nanosekonda në ditë, ose 1 sekondë në 1.4 milionë vjet.

Teknologji komplekse

Kjo saktësi e madhe është rezultat i një procesi kompleks prodhimi. Së pari, ceziumi i lëngshëm vendoset në një furrë dhe nxehet derisa të kthehet në gaz. Atomet metalike dalin me shpejtësi të madhe përmes një hapjeje të vogël në furre. Elektromagnetët bëjnë që ato të ndahen në rreze të veçanta me energji të ndryshme. Rrezja e kërkuar kalon nëpër një vrimë në formë U, dhe atomet rrezatohen me energji mikrovalore me një frekuencë prej 9,192,631,770 Hz. Falë kësaj, ata janë të ngazëllyer dhe kalojnë në një gjendje tjetër energjie. Fusha magnetike filtron më pas gjendjet e tjera energjetike të atomeve.

Detektori reagon ndaj ceziumit dhe tregon një maksimum në vlerën e saktë të frekuencës. Kjo është e nevojshme për të konfiguruar oshilatorin e kuarcit që kontrollon mekanizmin e orës. Duke pjesëtuar frekuencën e tij me 9.192.631.770 jepet një puls për sekondë.

Jo vetëm cezium

Megjithëse orët atomike më të zakonshme përdorin vetitë e ceziumit, ka lloje të tjera. Ato ndryshojnë në elementin e përdorur dhe mjetet për përcaktimin e ndryshimeve në nivelin e energjisë. Materiale të tjera janë hidrogjeni dhe rubidiumi. Orët atomike të hidrogjenit funksionojnë në mënyrë të ngjashme me orët e ceziumit, por kërkojnë një enë me mure të bërë nga një material i veçantë që parandalon që atomet të humbasin energjinë shumë shpejt. Orët Rubidium janë më të thjeshtat dhe më kompaktet. Në to, një qelizë qelqi e mbushur me gaz rubidium ndryshon thithjen e dritës kur ekspozohet ndaj frekuencës ultra të lartë.

Kush ka nevojë për kohën e saktë?

Sot, koha mund të matet me saktësi ekstreme, por pse është e rëndësishme kjo? Kjo është e nevojshme në sisteme të tilla si telefonat celularë, interneti, GPS, programet e aviacionit dhe televizioni dixhital. Në pamje të parë kjo nuk është e qartë.

Një shembull se si përdoret koha e saktë është në sinkronizimin e paketave. Mijëra thirrje telefonike kalojnë përmes linjës mesatare të komunikimit. Kjo është e mundur vetëm sepse biseda nuk transmetohet plotësisht. Kompania e telekomunikacionit e ndan atë në pako të vogla dhe madje anashkalon disa nga informacionet. Më pas ato kalojnë përmes linjës së bashku me paketat e bisedave të tjera dhe rikthehen në skajin tjetër pa u përzier. Sistemi i orës së centralit telefonik mund të përcaktojë se cilat pako i përkasin një bisede të caktuar në kohën e saktë të dërgimit të informacionit.

GPS

Një zbatim tjetër i kohës së saktë është një sistem pozicionimi global. Ai përbëhet nga 24 satelitë që transmetojnë koordinatat dhe kohën e tyre. Çdo marrës GPS mund të lidhet me ta dhe të krahasojë kohët e transmetimit. Dallimi i lejon përdoruesit të përcaktojë vendndodhjen e tyre. Nëse këto orë nuk do të ishin shumë të sakta, atëherë sistemi GPS do të ishte jopraktik dhe jo i besueshëm.

Kufiri i perfeksionit

Me zhvillimin e teknologjisë dhe orëve atomike u bënë të dukshme pasaktësitë e Universit. Toka lëviz në mënyrë të pabarabartë, duke shkaktuar ndryshime të rastësishme në gjatësinë e viteve dhe ditëve. Në të kaluarën, këto ndryshime do të kishin kaluar pa u vënë re, sepse mjetet për matjen e kohës ishin shumë të pasakta. Megjithatë, për shumë zhgënjimin e studiuesve dhe shkencëtarëve, koha e orëve atomike duhet të rregullohet për të kompensuar anomalitë e botës reale. Ato janë mjete të mahnitshme që avancojnë teknologjinë moderne, por përsosmëria e tyre është e kufizuar nga kufijtë e vendosur nga vetë natyra.

Një ndjesi është përhapur në mbarë botën shkencore - koha po avullohet nga Universi ynë! Deri më tani kjo është vetëm një hipotezë e astrofizikanëve spanjollë. Por fakti që rrjedha e kohës në Tokë dhe në hapësirë ​​është e ndryshme është vërtetuar tashmë nga shkencëtarët. Koha rrjedh më ngadalë nën ndikimin e gravitetit, duke u përshpejtuar ndërsa largohet nga planeti. Detyra e sinkronizimit të kohës tokësore dhe kozmike kryhet nga standardet e frekuencës së hidrogjenit, të cilat quhen gjithashtu "orë atomike".

Koha e parë atomike u shfaq së bashku me shfaqjen e orëve atomike u shfaqën në mesin e viteve 20. Në ditët e sotme, orët atomike janë bërë një gjë e përditshme, secili prej nesh i përdor ato çdo ditë: komunikimet dixhitale, GLONASS, navigimi dhe transporti funksionojnë me ndihmën e tyre.

Pronarët e telefonave celularë vështirë se mendojnë se çfarë pune komplekse kryhet në hapësirë ​​për sinkronizimin e rreptë të kohës, dhe ne po flasim vetëm për të miliontat e sekondës.

Standardi i saktë i kohës ruhet në rajonin e Moskës, në Institutin Shkencor të Matjeve Fiziko-Teknike dhe Radio-Teknike. Në botë ka 450 orë të tilla.

Rusia dhe SHBA-të kanë monopole në orët atomike, por në SHBA orët funksionojnë në bazë të ceziumit, një metal radioaktiv që është shumë i dëmshëm për mjedisin, dhe në Rusi, në bazë të hidrogjenit, një material më i sigurt dhe më i qëndrueshëm.

Kjo orë nuk ka një numërues ose akrepa: duket si një fuçi e madhe me metale të rralla dhe të vlefshme, e mbushur me teknologjitë më të avancuara - instrumente matëse me precizion të lartë dhe pajisje me standarde atomike. Procesi i krijimit të tyre është shumë i gjatë, kompleks dhe zhvillohet në kushte steriliteti absolut.

Prej 4 vitesh, ora e instaluar në satelitin rus po studion energjinë e errët. Sipas standardeve njerëzore, ato humbasin saktësinë me 1 sekondë gjatë shumë miliona viteve.

Shumë shpejt, orët atomike do të instalohen në Spektr-M, një observator hapësinor që do të shohë se si formohen yjet dhe ekzoplanetet dhe do të shikojë përtej skajit të vrimës së zezë në qendër të galaktikës sonë. Sipas shkencëtarëve, për shkak të gravitetit monstruoz, koha rrjedh kaq ngadalë këtu sa pothuajse ndalon.

tvroscosmos

Ora atomike 27 janar 2016

Vendlindja e orës së parë xhepi në botë me një standard të integruar të kohës atomike nuk do të jetë Zvicra apo edhe Japonia. Ideja e krijimit të tyre lindi në zemër të Britanisë së Madhe në markën londineze Hoptroff

Orët atomike, ose siç quhen edhe "orë kuantike", janë një pajisje që mat kohën duke përdorur dridhjet natyrore që lidhen me proceset që ndodhin në nivelin e atomeve ose molekulave. Richard Hoptroff vendosi se ishte koha që zotërinjtë modernë që janë të interesuar për pajisjet ultra-teknologjike të shkëmbejnë orët e tyre mekanike të xhepit për diçka më ekstravagante dhe të jashtëzakonshme, dhe gjithashtu në përputhje me tendencat moderne urbane.

Kështu, ora elegante në pamje atomike Hoptroff Nr. 10, i cili mund të befasojë brezin modern, të sofistikuar me një bollëk pajisjesh, jo vetëm me stilin e tij retro dhe saktësinë fantastike, por edhe me jetën e tij të shërbimit. Sipas zhvilluesve, duke pasur këtë orë me vete, mund të mbeteni personi më i përpiktë për të paktën 5 miliardë vjet.

Çfarë tjetër mund të zbuloni interesante rreth tyre...

Foto 2.

Për të gjithë ata që nuk janë interesuar kurrë për orët e tilla, ia vlen të shpjegohet shkurtimisht parimi i funksionimit të tyre. Nuk ka asgjë brenda "pajisjes atomike" që i ngjan një ore mekanike klasike. Në Hoptroff nr. 10 nuk ka pjesë mekanike si të tilla. Në vend të kësaj, orët e xhepit atomike janë të pajisura me një dhomë të mbyllur të mbushur me një gaz radioaktiv, temperatura e së cilës kontrollohet nga një furrë speciale. Matja e saktë e kohës ndodh si më poshtë: lazerët ngacmojnë atomet e një elementi kimik, i cili është një lloj "mbushësi" i orës, dhe rezonatori regjistron dhe mat çdo tranzicion atomik. Sot, elementi bazë i pajisjeve të tilla është ceziumi. Nëse kujtojmë sistemin e njësive SI, atëherë vlera e një sekonde në të lidhet me numrin e periudhave të rrezatimit elektromagnetik gjatë kalimit të atomeve të cezium-133 nga një nivel energjie në tjetrin.

Foto 3.

Nëse në telefonat inteligjentë zemra e pajisjes konsiderohet të jetë një çip procesor, atëherë në Hoptroff Nr. 10 këtë rol e merr moduli i gjeneratorit të kohës së referencës. Furnizohet nga Symmetricom, dhe vetë çipi fillimisht ishte menduar për përdorim në industrinë ushtarake - në mjete ajrore pa pilot.

Ora atomike CSAC është e pajisur me një termostat të kontrolluar nga temperatura, i cili përmban një dhomë që përmban avujt e ceziumit. Nën ndikimin e një lazeri në atomet e cezium-133, fillon kalimi i tyre nga një gjendje energjie në tjetrën, e cila matet duke përdorur një rezonator mikrovalë. Që nga viti 1967, Sistemi Ndërkombëtar i Njësive (SI) ka përcaktuar një sekondë si 9,192,631,770 periudha të rrezatimit elektromagnetik të prodhuar gjatë kalimit midis dy niveleve hiperfine të gjendjes bazë të një atomi cezium-133. Bazuar në këtë, është e vështirë të imagjinohet një orë më e saktë teknikisht e bazuar në cezium. Me kalimin e kohës, duke pasur parasysh përparimet më të fundit në matjen e kohës, saktësia e orëve të reja optike të bazuara në një jon alumini që pulson në frekuencën e rrezatimit ultravjollcë (100,000 herë më e lartë se frekuencat e mikrovalëve të orëve të ceziumit) do të jetë qindra herë më e lartë se saktësia. të kronometrave atomikë. Për ta thënë thjesht, modeli i ri i xhepit Nr.10 i Hoptroff ka një gabim vrapimi prej 0.0015 sekonda në vit, që është 2.4 milionë herë më i lartë se standardet COSC.

Foto 4.

Ana funksionale e pajisjes është gjithashtu në prag të fantazisë. Me ndihmën e tij mund të zbuloni: kohën, datën, ditën e javës, vitin, gjerësinë dhe gjatësinë gjeografike në sasi të ndryshme, presionin, lagështinë, orët dhe minutat anësore, parashikimin e baticës dhe shumë tregues të tjerë. Ora vjen në ar, dhe printimi 3D është planifikuar të përdoret për të krijuar kutinë e saj nga metali i çmuar.

Richard Hoptrof sinqerisht beson se ky opsion i veçantë për të krijuar idenë e tij është më i preferuari. Për të ndryshuar pak komponentin e projektimit të strukturës, nuk do të jetë e nevojshme të rindërtoni fare linjën e prodhimit, por të përdorni fleksibilitetin funksional të pajisjes së printimit 3D për këtë. Megjithatë, vlen të theksohet se prototipi i orës së treguar është bërë në mënyrën klasike.

Foto 5.

Koha është shumë e shtrenjtë këto ditë, dhe Hoptroff Nr. 10 është një konfirmim i drejtpërdrejtë i kësaj. Sipas informacioneve paraprake, grupi i parë i pajisjeve atomike do të jetë 12 njësi, dhe sa i përket kostos, çmimi për 1 kopje do të jetë 78,000 dollarë.

Foto 6.

Sipas Richard Hoptroff, drejtor menaxhues i markës, vendndodhja e Hoptroff në Londër luajti një rol kyç në shfaqjen e kësaj ideje. “Në lëvizjet tona të kuarcit ne përdorim një sistem lëkundës me precizion të lartë me një sinjal GPS. Por në qendër të Londrës nuk është aq e lehtë të kapësh këtë sinjal. Një ditë, gjatë një udhëtimi në Observatorin e Greenwich, pashë një orë atomike Hewlett Packard atje dhe vendosa të blej diçka të ngjashme për veten time nëpërmjet internetit. Dhe nuk munda. Në vend të kësaj, hasa në informacione për një çip nga Symmetricon dhe pas tre ditësh të menduari, kuptova se do të ishte perfekt për një orë xhepi.

Çipi në fjalë është ora atomike e ceziumit SA.45s (CSAC), një nga gjeneratat e para të orëve atomike në miniaturë për marrës GPS, radio me çantë shpine dhe automjete pa pilot. Pavarësisht nga dimensionet e saj modeste (40 mm x 34,75 mm), ende nuk ka gjasa të futet në një orë dore. Prandaj, Hoptroff vendosi t'i pajisë ato me një model xhepi me dimensione mjaft të respektueshme (82 mm në diametër).

Përveçse është ora më e saktë në botë, Hoptroff No 10 (lëvizja e dhjetë e markës) pretendon gjithashtu të jetë kutia e parë prej ari e bërë duke përdorur teknologjinë e printimit 3D. Hoptroff nuk mund të thotë ende me siguri se sa ari do të kërkohet për të bërë rastin (puna në prototipin e parë përfundoi kur çështja doli në shtyp), por vlerëson se kostoja e tij do të jetë "të paktën disa mijëra paund". Dhe duke pasur parasysh sasinë e kërkimit që shkoi në zhvillimin e produktit (merrni funksionin e llogaritjes së baticës dhe rrjedhës së baticave duke përdorur konstante harmonike për 3000 porte të ndryshme), mund të presim që çmimi i tij përfundimtar me pakicë të jetë rreth 50,000 £.

Trupi floriri i modelit nr.10 si i dalë nga printeri 3D dhe në formë të përfunduar

Blerësit bëhen automatikisht anëtarë të një klubi ekskluziv dhe do t'u kërkohet të nënshkruajnë një premtim me shkrim për të mos përdorur çipin e orës atomike si armë. "Ky është një nga kushtet e marrëveshjes sonë me furnizuesin," shpjegon z. Hoptroff, "meqenëse çipi atomik u përdor fillimisht në sistemet e drejtimit të raketave." Jo shumë për të paguar për mundësinë për të pasur një orë me saktësi të patëmetë.

Pronarët me fat të Nr. 10 nga Hoptroff do të kenë në dispozicion shumë më tepër sesa thjesht një orë me precizion të lartë. Modeli funksionon gjithashtu si një pajisje navigimi xhepi, duke e lejuar dikë që të përcaktojë gjatësinë gjeografike me një saktësi prej një milje detare, edhe pas shumë vitesh në det, duke përdorur një sekstant të thjeshtë. Modeli do të marrë dy numra, por dizajni i njërit prej tyre mbetet ende i fshehtë. Tjetra është një vorbull numëruesish që shfaq deri në 28 ndërlikime: nga të gjitha funksionet e mundshme kronometrike dhe treguesit e kalendarit te një busull, termometër, higrometër (një pajisje për matjen e niveleve të lagështisë), barometër, numërues të gjerësisë dhe gjatësisë dhe një baticë të lartë/të ulët. tregues. Dhe kjo nuk është për të përmendur treguesit jetikë të gjendjes së termostatit atomik.

Hoptroff ka plane për të prodhuar një sërë produktesh të reja, duke përfshirë një version elektronik të orës legjendare të ndërlikuar të George Daniels, Space Traveler. Aktualisht është duke u punuar për të integruar teknologjinë Bluetooth në orë për të ruajtur informacionin personal të përdoruesit dhe për të mundësuar rregullimin automatik të komplikimeve, si treguesi i fazës së hënës.

Kopjet e para të Nr.10 do të shfaqen vitin e ardhshëm, por tani për tani kompania po kërkon partnerë të përshtatshëm mes shitësve me pakicë. “Natyrisht, ne mund të përpiqemi ta shesim atë në internet, por ky është një model premium, kështu që ju duhet ta mbani atë në duart tuaja për ta vlerësuar vërtet atë. Kjo do të thotë se do të na duhet të përdorim ende shërbimet e shitësve me pakicë dhe jemi gati të nisim negociatat”, thotë në përfundim z. Hoptroff.

Dhe madje Artikulli origjinal është në faqen e internetit InfoGlaz.rf Lidhja me artikullin nga i cili është bërë kjo kopje -

Në shekullin e 21-të, navigimi satelitor po zhvillohet me një ritëm të shpejtë. Ju mund të përcaktoni pozicionin e çdo objekti që është disi i lidhur me satelitët, qoftë telefon celular, makinë apo anije kozmike. Por asnjë nga këto nuk mund të arrihej pa orë atomike.
Këto orë përdoren edhe në telekomunikime të ndryshme, si për shembull komunikimet celulare. Kjo është ora më e saktë që ka qenë, është dhe do të jetë ndonjëherë. Pa to, interneti nuk do të sinkronizohej, nuk do të dinim distancën me planetët dhe yjet e tjerë, etj.
Në orë në sekondë, merren 9,192,631,770 periudha të rrezatimit elektromagnetik, të cilat u ngritën gjatë kalimit midis dy niveleve të energjisë të atomit të cezium-133. Orë të tilla quhen orë cezium. Por kjo është vetëm një nga tre llojet e orëve atomike. Ka edhe orë me hidrogjen dhe rubidium. Sidoqoftë, orët e ceziumit përdoren më shpesh, kështu që ne nuk do të ndalemi në lloje të tjera.

Parimi i funksionimit të orës atomike të ceziumit

Lazeri ngroh atomet e izotopit të ceziumit dhe në këtë kohë, rezonatori i integruar regjistron të gjitha tranzicionet e atomeve. Dhe, siç u përmend më herët, pas arritjes së 9,192,631,770 tranzicioneve, llogaritet një sekondë.

Një lazer i integruar në kutinë e orës ngroh atomet e izotopit të ceziumit. Në këtë kohë, rezonatori regjistron numrin e kalimeve të atomeve në një nivel të ri energjie. Kur arrihet një frekuencë e caktuar, përkatësisht 9,192,631,770 kalime (Hz), e dyta llogaritet në bazë të sistemit ndërkombëtar SI.

Përdoret në navigimin satelitor

Procesi i përcaktimit të vendndodhjes së saktë të një objekti duke përdorur një satelit është shumë i vështirë. Disa satelitë janë të përfshirë në këtë, përkatësisht më shumë se 4 për marrës (për shembull, një navigator GPS në një makinë).

Çdo satelit përmban një orë atomike me precizion të lartë, një transmetues radio satelitor dhe një gjenerator kodi dixhital. Transmetuesi i radios dërgon një kod dixhital dhe informacion në lidhje me satelitin në Tokë, përkatësisht parametrat orbitalë, modelin, etj.

Ora përcakton se sa kohë iu desh që ky kod të arrinte te marrësi. Kështu, duke ditur shpejtësinë e përhapjes së valëve të radios, llogaritet distanca nga marrësi në Tokë. Por një satelit nuk mjafton për këtë. Marrësit modernë GPS mund të marrin sinjale nga 12 satelitë në të njëjtën kohë, gjë që ju lejon të përcaktoni vendndodhjen e një objekti me një saktësi deri në 4 metra. Nga rruga, vlen të përmendet se navigatorët GPS nuk kërkojnë një tarifë abonimi.

Cilët "orëvënës" shpikën dhe përsosi këtë mekanizëm jashtëzakonisht të saktë? A ka ndonjë zëvendësues për të? Le të përpiqemi ta kuptojmë.

Në vitin 2012, matja e kohës atomike do të festojë dyzet e pesë vjetorin e saj. Në vitin 1967, kategoria e kohës në Sistemin Ndërkombëtar të Njësive filloi të përcaktohet jo nga shkallët astronomike, por nga standardi i frekuencës së ceziumit. Kjo është ajo që njerëzit e thjeshtë e quajnë ora atomike.

Cili është parimi i funksionimit të oshilatorëve atomikë? Këto "pajisje" përdorin nivelet e energjisë kuantike të atomeve ose molekulave si burim të frekuencës rezonante. Mekanika kuantike lidh disa nivele diskrete të energjisë me sistemin "bërthamë atomike - elektrone". Një fushë elektromagnetike e një frekuence të caktuar mund të provokojë një kalim të këtij sistemi nga një nivel i ulët në një më të lartë. Fenomeni i kundërt është gjithashtu i mundur: një atom mund të lëvizë nga një nivel i lartë energjie në një nivel më të ulët duke emetuar energji. Të dy fenomenet mund të kontrollohen dhe këto kërcime të ndërniveleve të energjisë mund të regjistrohen, duke krijuar kështu një pamje të një qarku oscilues. Frekuenca rezonante e këtij qarku do të jetë e barabartë me diferencën e energjisë ndërmjet dy niveleve të tranzicionit të ndarë me konstanten e Planck-ut.

Oscilatori atomik që rezulton ka avantazhe të padyshimta ndaj paraardhësve të tij astronomikë dhe mekanikë. Frekuenca rezonante e të gjithë atomeve të substancës së zgjedhur për oshilatorin do të jetë, ndryshe nga lavjerrësit dhe piezokristalet, e njëjtë. Përveç kësaj, atomet nuk konsumohen ose ndryshojnë vetitë e tyre me kalimin e kohës. Ideale për një kronometër praktikisht të përjetshëm dhe jashtëzakonisht të saktë.

Për herë të parë, mundësia e përdorimit të tranzicioneve të energjisë në atome si një standard frekuence u konsiderua në vitin 1879 nga fizikani britanik William Thomson, i njohur më mirë si Lord Kelvin. Ai propozoi përdorimin e hidrogjenit si burim i atomeve rezonatore. Megjithatë, kërkimi i tij ishte mjaft teorik në natyrë. Shkenca në atë kohë nuk ishte ende gati për të zhvilluar një kronometër atomik.

U deshën pothuajse njëqind vjet që ideja e Lord Kelvin të realizohej. Ishte një kohë e gjatë, por detyra nuk ishte e lehtë. Transformimi i atomeve në lavjerrës idealë doli të ishte më i vështirë në praktikë sesa në teori. Vështirësia qëndronte në betejën me të ashtuquajturën gjerësi rezonante - një luhatje e vogël në frekuencën e përthithjes dhe emetimit të energjisë ndërsa atomet lëvizin nga niveli në nivel. Raporti i frekuencës rezonante me gjerësinë e rezonancës përcakton cilësinë e oshilatorit atomik. Natyrisht, sa më e madhe të jetë vlera e gjerësisë rezonante, aq më e ulët është cilësia e lavjerrësit atomik. Fatkeqësisht, nuk është e mundur të rritet frekuenca rezonante për të përmirësuar cilësinë. Është konstante për atomet e secilës substancë specifike. Por gjerësia rezonante mund të reduktohet duke rritur kohën e vëzhgimit të atomeve.

Teknikisht, kjo mund të arrihet si më poshtë: le një oshilator të jashtëm, për shembull kuarc, të gjenerojë periodikisht rrezatim elektromagnetik, duke bërë që atomet e substancës dhuruese të kërcejnë nëpër nivele të energjisë. Në këtë rast, detyra e sintonizuesit atomik të kronografit është të afrojë frekuencën e këtij oshilatori kuarci sa më afër që të jetë e mundur me frekuencën rezonante të tranzicionit ndërnivel të atomeve. Kjo bëhet e mundur në rastin e një periudhe mjaft të gjatë të vëzhgimit të dridhjeve atomike dhe krijimit të reagimeve që rregullojnë frekuencën e kuarcit.

Vërtetë, përveç problemit të zvogëlimit të gjerësisë rezonante në një kronografi atomik, ka shumë probleme të tjera. Ky është efekti Doppler - një zhvendosje në frekuencën rezonante për shkak të lëvizjes së atomeve dhe përplasjeve të ndërsjella të atomeve, duke shkaktuar tranzicione të paplanifikuara të energjisë, madje edhe ndikimin e energjisë së përhapur të materies së errët.

Përpjekja e parë për zbatimin praktik të orëve atomike u bë në vitet tridhjetë të shekullit të kaluar nga shkencëtarët në Universitetin e Kolumbisë nën udhëheqjen e laureatit të ardhshëm të Nobelit Dr. Isidor Rabi. Rabi propozoi përdorimin e izotopit të ceziumit 133 Cs si një burim të atomeve të lavjerrësit. Fatkeqësisht, puna e Rabiut, e cila i interesoi shumë NBS-së, u ndërpre nga Lufta e Dytë Botërore.

Pas përfundimit të tij, epërsia në zbatimin e kronografit atomik i kaloi punonjësit të NBS, Harold Lyons. Oscilatori i tij atomik funksiononte me amoniak dhe dha një gabim të krahasueshëm me shembujt më të mirë të rezonatorëve të kuarcit. Në vitin 1949, ora atomike e amoniakut iu demonstrua publikut të gjerë. Megjithë saktësinë mjaft mesatare, ata zbatuan parimet themelore të gjeneratave të ardhshme të kronografëve atomikë.

Prototipi i një ore atomike ceziumi i marrë nga Louis Essen siguroi një saktësi prej 1 * 10 -9, ndërsa kishte një gjerësi rezonance prej vetëm 340 Hertz

Pak më vonë, profesori i Universitetit të Harvardit, Norman Ramsey, përmirësoi idetë e Isidor Rabi, duke zvogëluar ndikimin e efektit Doppler në saktësinë e matjeve. Ai propozoi, në vend të një atomeve të gjata emocionuese të pulsit me frekuencë të lartë, të përdoreshin dy atome të shkurtër të dërguar në krahët e valëmarrësit në një distancë nga njëri-tjetri. Kjo bëri të mundur zvogëlimin e mprehtë të gjerësisë rezonante dhe në fakt bëri të mundur krijimin e oshilatorëve atomikë që janë një renditje madhësie më e lartë në saktësi ndaj paraardhësve të tyre kuarci.

Në vitet pesëdhjetë të shekullit të kaluar, bazuar në skemën e propozuar nga Norman Ramsey, në Laboratorin Kombëtar Fizik (MB), punonjësi i tij Louis Essen punoi në një oshilator atomik të bazuar në izotopin e ceziumit 133 Cs të propozuar më parë nga Rabi. Ceziumi nuk u zgjodh rastësisht.

Skema e niveleve hiperfine të tranzicionit të atomeve të izotopit cezium-133

Që i përkasin grupit të metaleve alkali, atomet e ceziumit ngacmohen jashtëzakonisht lehtë për të kërcyer midis niveleve të energjisë. Për shembull, një rreze drite mund të eliminojë lehtësisht një rrjedhë elektronesh nga struktura atomike e ceziumit. Për shkak të kësaj vetie, ceziumi përdoret gjerësisht në fotodetektorë.

Dizajni i një oshilatori klasik të ceziumit bazuar në një përcjellës valësh Ramsey

Standardi i parë zyrtar i frekuencës së ceziumit NBS-1

Pasardhësi i NBS-1 - oshilatori NIST-7 përdori pompimin me lazer të një rreze atomesh ceziumi

U deshën më shumë se katër vjet që prototipi i Essen të bëhej një standard i vërtetë. Në fund të fundit, rregullimi i saktë i orëve atomike ishte i mundur vetëm duke krahasuar me njësitë ekzistuese të kohës efemeris. Gjatë katër viteve, oshilatori atomik u kalibrua duke vëzhguar rrotullimin e Hënës rreth Tokës duke përdorur një kamerë precize hënore të shpikur nga Observatori Detar i SHBA-së, William Markowitz.

"Rregullimi" i orëve atomike në efemeris hënore u krye nga 1955 deri në 1958, pas së cilës pajisja u njoh zyrtarisht nga NBS si një standard i frekuencës. Për më tepër, saktësia e paprecedentë e orëve atomike të ceziumit bëri që NBS të ndryshonte njësinë e kohës në standardin SI. Që nga viti 1958, i dyti është miratuar zyrtarisht si "kohëzgjatja e 9,192,631,770 periudhave të rrezatimit që korrespondojnë me kalimin midis dy niveleve hiperfine të gjendjes standarde të një atomi të izotopit cezium-133".

Pajisja e Louis Essen u quajt NBS-1 dhe u konsiderua standardi i parë i frekuencës së ceziumit.

Gjatë tridhjetë viteve të ardhshme, u zhvilluan gjashtë modifikime të NBS-1, më e fundit prej të cilave, NIST-7, e krijuar në 1993 duke zëvendësuar magnetet me kurthe lazer, siguron një saktësi prej 5 * 10 -15 me një gjerësi rezonante prej vetëm gjashtëdhjetë. - dy herc.

Tabela krahasuese e karakteristikave të standardeve të frekuencës së ceziumit të përdorura nga NBS

Pajisjet NBS janë stendë të palëvizshme, gjë që lejon që ato të klasifikohen si standarde dhe jo si oshilatorë të përdorur praktikisht. Por për qëllime thjesht praktike, Hewlett-Packard punoi për përfitimin e standardit të frekuencës së ceziumit. Në vitin 1964, gjigandi i ardhshëm kompjuterik krijoi një version kompakt të standardit të frekuencës së ceziumit - pajisjen HP 5060A.

Kalibruar duke përdorur standardet NBS, standardet e frekuencës HP 5060 përshtaten në një raft tipik të pajisjeve radio dhe ishin një sukses komercial. Ishte falë standardit të frekuencës së ceziumit të vendosur nga Hewlett-Packard që saktësia e paparë e orëve atomike u përhap gjerësisht.

Hewlett-Packard 5060A.

Si rezultat, gjëra të tilla si televizioni satelitor dhe komunikimet, sistemet globale të navigimit dhe shërbimet e sinkronizimit të kohës së rrjetit të informacionit u bënë të mundura. Ka pasur shumë aplikime për teknologjinë e industrializuar të kronografisë atomike. Në të njëjtën kohë, Hewlett-Packard nuk u ndal me kaq dhe vazhdimisht po përmirëson cilësinë e standardeve të ceziumit dhe peshën dhe dimensionet e tyre.

Familja e orëve atomike Hewlett-Packard

Në vitin 2005, divizioni i orës atomike të Hewlett-Packard iu shit Simmetricom.

Së bashku me ceziumin, rezervat e të cilit në natyrë janë shumë të kufizuara, dhe kërkesa për të në një sërë fushash teknologjike është jashtëzakonisht e lartë, rubidiumi, vetitë e të cilit janë shumë afër ceziumit, u përdor si një substancë dhuruese.

Duket se skema ekzistuese e orës atomike është sjellë në përsosmëri. Ndërkohë, ai kishte një të metë të bezdisshme, eliminimi i të cilit u bë i mundur në gjeneratën e dytë të standardeve të frekuencës së ceziumit, të quajtura shatërvanët e ceziumit.

Shatërvanet e kohës dhe melasa optike

Megjithë saktësinë më të lartë të kronometrit atomik NIST-7, i cili përdor zbulimin me lazer të gjendjes së atomeve të ceziumit, dizajni i tij nuk është thelbësisht i ndryshëm nga modelet e versioneve të para të standardeve të frekuencës së ceziumit.

Një disavantazh i projektimit i të gjitha këtyre skemave është se është thelbësisht e pamundur të kontrollohet shpejtësia e përhapjes së një tufe atomesh ceziumi që lëviz në një përcjellës valësh. Dhe kjo përkundër faktit se shpejtësia e lëvizjes së atomeve të ceziumit në temperaturën e dhomës është njëqind metra në sekondë. Shumë shpejt.

Kjo është arsyeja pse të gjitha modifikimet e standardeve të ceziumit janë një kërkim për një ekuilibër midis madhësisë së valëmarrësit, i cili ka kohë të ndikojë në atomet e shpejta të ceziumit në dy pika, dhe saktësisë së zbulimit të rezultateve të këtij ndikimi. Sa më i vogël të jetë përcjellësi i valës, aq më e vështirë është të bëhen impulse elektromagnetike të njëpasnjëshme që prekin të njëjtat atome.

Po sikur të gjejmë një mënyrë për të zvogëluar shpejtësinë e atomeve të ceziumit? Ishte kjo ide që preokupoi studentin e MIT, Jerold Zacharius, i cili studioi ndikimin e gravitetit në sjelljen e atomeve në fund të dyzetave të shekullit të kaluar. Më vonë, i përfshirë në zhvillimin e një varianti të standardit të frekuencës së ceziumit Atomichron, Zacharius propozoi idenë e një shatërvani ceziumi - një metodë për të ulur shpejtësinë e lëvizjes së atomeve të ceziumit në një centimetër në sekondë dhe për të hequr qafe dyfishin. valedrejtues i armatosur i oshilatoreve atomike tradicionale.

Ideja e Zakarit ishte e thjeshtë. Po sikur të nxirrnit atomet e ceziumit vertikalisht brenda një oshilatori? Pastaj të njëjtat atome do të kalojnë nëpër detektor dy herë: një herë kur udhëtojnë lart dhe një herë kur udhëtojnë poshtë, ku ato drejtohen nga graviteti. Në këtë rast, lëvizja në rënie e atomeve do të jetë dukshëm më e ngadaltë se ngritja e tyre, sepse gjatë udhëtimit të tyre në shatërvan ata do të humbasin energji. Fatkeqësisht, në vitet pesëdhjetë të shekullit të kaluar, Zacharius nuk ishte në gjendje të realizonte idetë e tij. Në konfigurimin e tij eksperimental, atomet që lëviznin lart ndërvepruan me ato që bien poshtë, gjë që ngatërroi saktësinë e zbulimit.

Ideja e Zakarit u kthye vetëm në vitet tetëdhjetë. Shkencëtarët në Universitetin e Stanfordit, të udhëhequr nga Steven Chu, kanë gjetur një mënyrë për të realizuar shatërvanin Zacharius duke përdorur një metodë që ata e quajnë "melasa optike".

Në shatërvanin e Chu ceziumit, një re e atomeve të ceziumit e ndezur lart ftohet paraprakisht nga një sistem prej tre palësh lazerësh të drejtuar kundër, që kanë një frekuencë rezonante pak më poshtë rezonancës optike të atomeve të ceziumit.

Skema e një shatërvani ceziumi me melasa optike.

Atomet e ceziumit të ftohur me lazer fillojnë të lëvizin ngadalë, sikur përmes melasës. Shpejtësia e tyre bie në tre metra në sekondë. Ulja e shpejtësisë së atomeve u jep studiuesve mundësinë për të zbuluar më saktë gjendjet (duhet ta pranoni se është shumë më e lehtë të shihni targat e një makine që lëviz me një shpejtësi prej një kilometër në orë sesa një makinë që lëviz me një shpejtësi prej njëqind kilometra në orë).

Një top me atome ceziumi të ftohur niset lart rreth një metër, duke kaluar një valëdhënës përgjatë rrugës, përmes të cilit atomet ekspozohen ndaj një fushe elektromagnetike të një frekuence rezonante. Dhe detektori i sistemit regjistron ndryshimin në gjendjen e atomeve për herë të parë. Pasi kanë arritur "tavanin", atomet e ftohur fillojnë të bien për shkak të gravitetit dhe kalojnë nëpër valëzues për herë të dytë. Në rrugën e kthimit, detektori regjistron sërish gjendjen e tyre. Meqenëse atomet lëvizin jashtëzakonisht ngadalë, fluturimi i tyre në formën e një reje mjaft të dendur është i lehtë për t'u kontrolluar, që do të thotë se në shatërvan nuk do të ketë atome që fluturojnë lart e poshtë në të njëjtën kohë.

Objekti i shatërvanit të ceziumit të Chu u miratua nga NBS si një standard frekuencash në 1998 dhe u emërua NIST-F1. Gabimi i tij ishte 4 * 10 -16, që do të thotë se NIST-F1 ishte më i saktë se paraardhësi i tij NIST-7.

Në fakt, NIST-F1 arriti kufirin e saktësisë në matjen e gjendjes së atomeve të ceziumit. Por shkencëtarët nuk u ndalën në këtë fitore. Ata vendosën të eliminojnë gabimin që rrezatimi i trupit të zi fut në funksionimin e orëve atomike - rezultat i ndërveprimit të atomeve të ceziumit me rrezatimin termik të trupit të instalimit në të cilin lëvizin. Kronografi i ri atomik NIST-F2 vendosi një shatërvan ceziumi në një dhomë kriogjenike, duke reduktuar rrezatimin e trupit të zi pothuajse në zero. Gabimi NIST-F2 është një 3*10 -17 e pabesueshme.

Grafiku i reduktimit të gabimeve të opsioneve standarde të frekuencës së ceziumit

Aktualisht, orët atomike të bazuara në burimet e ceziumit i ofrojnë njerëzimit standardin më të saktë të kohës, në lidhje me të cilin rreh pulsi i qytetërimit tonë teknogjen. Falë trukeve inxhinierike, maserët e hidrogjenit pulsues që ftohin atomet e ceziumit në versionet e palëvizshme të NIST-F1 dhe NIST-F2 u zëvendësuan nga një rreze lazer konvencionale që punon së bashku me një sistem magneto-optik. Kjo bëri të mundur krijimin e versioneve kompakte dhe shumë rezistente të standardeve NIST-Fx që mund të përdoren në anijen kozmike. Të quajtura në mënyrë mjaft imagjinative "Aerospace Cold Atom Clock", këto standarde frekuence janë instaluar në satelitët e sistemeve të navigimit si GPS, gjë që siguron sinkronizimin e tyre mahnitës për të zgjidhur problemin e llogaritjes shumë të saktë të koordinatave të marrësve GPS të përdorur në pajisjet tona.

Një version kompakt i orës atomike të shatërvanit të ceziumit, i quajtur "Aerospace Cold Atom Clock", përdoret në satelitët GPS.

Llogaritja e referencës së kohës kryhet nga një "ansambël" prej dhjetë NIST-F2 të vendosura në qendra të ndryshme kërkimore që bashkëpunojnë me NBS. Vlera e saktë e sekondës atomike merret kolektivisht, duke eliminuar kështu gabimet e ndryshme dhe ndikimin e faktorit njerëzor.

Megjithatë, është e mundur që një ditë standardi i frekuencës së ceziumit të perceptohet nga pasardhësit tanë si një mekanizëm shumë i papërpunuar për matjen e kohës, ashtu siç ne tani shohim me përbuzje lëvizjet e lavjerrësit në orët mekanike të gjyshit të paraardhësve tanë.