| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Ultrastabilní optické hodiny
Jakub Jirsa
Americký národní institut standardů a technologií (NISTNIST – National Institute of Standards and Technology, Americký Národní úřad standardů a technologie. Založen byl v roce 1901. Jeho laboratoře se nacházejí v Boulderu (Colorado) a v Gaithersburgu (Maryland).) je jednou z předních výzkumných organizací v oblasti měření a standardizace a mezi jeho pracovníky je mnoho nositelů Nobelových cen. Skládá se ze šesti výzkumných laboratoří zabývajících se nanotechnologiemi, komunikačními a informačními technologiemi a materiálovým a fyzikálním výzkumem. V jedné z laboratoří (Laboratoř fyzikálních měření, oddělení pro čas a frekvence) se také zabývají přesným měřením času, díky kterému nám nejenže „neujede autobus“, ale jsme také schopni provádět přesná měření konstant SI či gravitačních efektů, jakým je například červený gravitační posuvČervený gravitační posuv – závislost frekvence fotonů v důsledku působení gravitačního pole. Fotony opouštějící těleso snižují svou frekvenci (červenají), naopak fotony přibližující se k tělesu zvyšují svou frekvenci (modrají). Jev je způsoben změnou rychlosti chodu hodin v blízkosti hmotných těles..
NIST v Boulderu, Laboratoř fyzikálních měření. Zdroj: NIST.
|
NIST – National Institute of Standards and Technology, Americký Národní úřad standardů a technologie. Založen byl v roce 1901. Jeho laboratoře se nacházejí v Boulderu (Colorado) a v Gaithersburgu (Maryland). Ytterbium – měkký stříbřitě bílý, přechodný kovový prvek, 14. člen skupiny lanthanoidů. Ytterbium objevil roku 1878 švýcarský chemik Jean Charles Galissard de Marignac. Ytterbium se vyskytuje v zemské kůře v koncentraci 3 mg/kg. Dickův jev – změna sledované průměrné frekvence pasivního frekvenčního standardu způsobená interakcí s měřícím zařízením, které v pravidelných cyklech měří frekvenci oscilátoru. Měřící zařízení je zpravidla realizováno jako zpětnovazební smyčka, která měří a průměruje frekvenci oscilátoru v nějakých cyklech. Do měření zanáší šum v okolí periody měřících cyklů a jejích vyšších harmonických. Šum se přenáší do samotného oscilátoru a ovlivňuje měřenou hodnotu. Dickův jev je největším omezením pro stabilitu frekvenčního zdroje. Objevil ho George John Dick z Kalifornského institutu technologií v roce 1987. Q faktor – faktor kvality, podíl frekvence spektrální čáry ku její frekvenční pološířce. Žádná spektrální čára není dokonale „ostrá“ Úzké čáry mají vysoký Q faktor, široké čáry jsou výsledkem velkého šumu a mají malý Q faktor. |
Důležité pojmy
Při měření času za pomoci nějakého pasivního oscilátoru, například dvouhladinového přechodu v určitém atomu, se většinou k hodnocení výsledků měření využívá několika důležitých pojmů. Prvním z nich je přesnost měření, která hodnotí, jak se po určité době hodiny odchýlí od ideálně plynoucího času. Druhým a neméně důležitým pojmem je stabilita hodin, která kontroluje, zda jsou dvě různá „tiknutí“ hodin stejná i po dosti dlouhé době, tj. zda se intervaly mezi tiknutími například nepatrně neprodlužují či nezkracují. Třetím důležitým pojmem při měření nějaké frekvence, například frekvence spektrální čáry nebo časového standardu, je tzv. Q faktor – jde o bezrozměrné číslo, které je definováno jako podíl měřené frekvence a pološířky měřené spektrální čáry (žádný přechod není zcela přesný, ale vlivem různých šumů má určitou frekvenční pološířku). Čím užší čára, tím vyšší je hodnota Q faktoru.
Měření frekvence nikdy neprobíhá s každým „tiknutím“. Měřicí cyklus má svou periodicitu a průměruje „tikání zdroje“ za určité období. Měření navíc není kontinuální, ale má i jistý „mrtvý čas“, v němž se měřený systém zotavuje – například probíhá fáze vybuzení atomů do vyšší energetické hladiny. Měřicí cyklus periodicky atakuje měřený systém, což vždy přináší určitý šum v měřené veličině, který poprvé popsal George John Dick z Kalifornského institutu technologií (CALTECHCALTECH – California Institute of Technology, prestižní americká univerzita, která vznikla v roce 1921. Založil ji chemik Arthur A. Noyes spolu s významným fyzikem Robertem A. Millikanem. Předchůdcem byla Throopova univerzita z roku 1891. Univerzita sídlí v kalifornské Pasadeně. Univerzita zajišťuje provoz JPL (Jet Propulsion Laboratory) americké NASA, analyzuje data ze Spizerova vesmírného dalekohledu a spravuje hanfordskou část detektoru gravitačních vln LIGO.) v roce 1987. Dickův šumDickův jev – změna sledované průměrné frekvence pasivního frekvenčního standardu způsobená interakcí s měřícím zařízením, které v pravidelných cyklech měří frekvenci oscilátoru. Měřící zařízení je zpravidla realizováno jako zpětnovazební smyčka, která měří a průměruje frekvenci oscilátoru v nějakých cyklech. Do měření zanáší šum v okolí periody měřících cyklů a jejích vyšších harmonických. Šum se přenáší do samotného oscilátoru a ovlivňuje měřenou hodnotu. Dickův jev je největším omezením pro stabilitu frekvenčního zdroje. Objevil ho George John Dick z Kalifornského institutu technologií v roce 1987. je spolu s kvantovým šumem vlastního měřeného systému největším zdrojem nepřesnosti a nestability při měření frekvence a vždy byl hlavním limitujícím faktorem stability časových standardů.
Atomové hodiny v optické oblasti jsou vynikajícím frekvenčním
standardem.
Zdroj: JILA.
Jak vlastně probíhá přesné měření času?
Většina dosavadních časových standardů využívala mikrovlnných přechodů. V poslední době se začínají používat optické hodiny. Vyšší frekvence s sebou sice nese některé technologické problémy, ale takové hodiny jsou stabilnější a přesnější. V nových hodinách zkonstruovaných v NIST využívají rezonanční frekvence dvouhladinového přechodu mezi stavy 1S0 a 3P0 v atomech ytterbia. K realizaci hodin jsou zapotřebí minimálně dva lasery. První z nich vytváří periodické potenciálové prohlubně, v nichž jsou atomy zachyceny (hovoříme o tzv. optické mříži, je v ní drženo zhruba deset tisíc atomů ochlazených na deset mikrokelvinů). Druhý laser má na starosti excitaci atomů do vyššího energetického stavu. Tento laser tvoří zpětnovazební oscilátor, ve kterém je možné nepatrně měnit frekvenci, aby byl co nejpřesněji naladěn na rezonanční frekvenci atomových oscilátorů. „Správná“ frekvence je ta, při níž se do excitovaného stavu dostane maximum atomů. Taková frekvence se následně použije jako časový standard. Ačkoliv je princip této metody vcelku jednoduchý, vytvoření takovýchto atomových hodin už tak jednoduché není. V našem zjednodušeném schématu jsme totiž zcela zanedbali rušivé vlivy, jakými jsou například konečná šířka spektrální čáry laseru, vibrace a pohyb excitovaných atomů a zejména Dickův šum způsobený periodickými cykly buzení atomů, měření a chlazení. Všechny tyto jevy snižují dosaženou přesnost a stabilitu měření.
V reálném uspořádání jsou atomy chlazeny na velice nízkou teplotu. Tím se lze částečně zbavit rušení, které rozmazává spektrální čáru. Chlazené atomy jsou připravené v základním stavu. Po excitaci atomů následuje fáze měření, po níž je nutné chvíli počkat, aby se atomy opět vrátily do základního stavu. Akt měření frekvence má tedy určitou periodicitu (buzení, měření a chlazení), která do měření frekvence hodin zanáší Dickův šumDickův jev – změna sledované průměrné frekvence pasivního frekvenčního standardu způsobená interakcí s měřícím zařízením, které v pravidelných cyklech měří frekvenci oscilátoru. Měřící zařízení je zpravidla realizováno jako zpětnovazební smyčka, která měří a průměruje frekvenci oscilátoru v nějakých cyklech. Do měření zanáší šum v okolí periody měřících cyklů a jejích vyšších harmonických. Šum se přenáší do samotného oscilátoru a ovlivňuje měřenou hodnotu. Dickův jev je největším omezením pro stabilitu frekvenčního zdroje. Objevil ho George John Dick z Kalifornského institutu technologií v roce 1987. a snižuje stabilitu hodin. U nových hodin v NISTNIST – National Institute of Standards and Technology, Americký Národní úřad standardů a technologie. Založen byl v roce 1901. Jeho laboratoře se nacházejí v Boulderu (Colorado) a v Gaithersburgu (Maryland). tyto jevy vědci eliminovali tak, že použili dvoje hodiny, které spolu synchronizovali. Měření na jedněch hodinách probíhá vždy v době, kdy se druhé hodiny „dochlazují“. Tímto způsobem se podařilo zvýšit stabilitu hodin o řád oproti jejich předchůdcům.
Ultrastabilní hodiny zkonstruované v NIST. PDH (Pound, Drever, Hall): stabilizátor frekvence pojmenovaný po svých autorech; SHG (Second Harmonic Generator): krystal zdvojnásobující frekvenci laserového světla; AOM (Akusticko-optický modulátor, Braggova cela): jednotka posouvající frekvenci tak, aby bylo dosaženo rezonance s atomovým oscilátorem. Zdroj: NIST.
A jaká jsou konkrétní čísla? V optické mříži vytvořené laserem bylo zachyceno přibližně 10 000 atomů ochlazených na teplotu 10 mikrokelvinů. Vnitřní frekvence atomového oscilátoru se pohybuje řádově kolem 1015 Hz. Samotný měřicí cyklus trvá kolem půl sekundy. Q faktor spektrální čáry laseru je 4×1015. Frekvence laseru je laděna pomocí modulátoru na frekvenci atomového systému. Samotný kvantový šum způsobuje (vztaženo na měřicí cyklus trvající sekundu) nestabilitu hodin 10–17, Dickův šum u jedněch hodin přináší nestabilitu sedmkrát vyšší, tj. 7×10–17, a je tedy hlavním zdrojem problémů. Vytvoření hodinového dvojčete, které snižuje mrtvý čas měření na minimum, vedlo k nestabilitě (vztažené na měření trvající sekundu) způsobené Dickovým šumem 3×10–18, tedy pod hranicí kvantového šumu. Poprvé tak Dickův šum není rozhodujícím činitelem a zkonstruovaný časový standard má dosud nejvyšší dosaženou stabilitu. S rostoucí dobou měření a průměrování se samozřejmě stabilita dále zvyšuje: je nepřímo úměrná odmocnině doby, za níž počítáme průměr měřené frekvence. První prototyp ultrastabilních ytterbiových hodin zkonstruoval se svým týmem Andrew Ludlow už v roce 2013. Jejich vylepšenou verzi s výrazně vyšší stabilitou předvedli světu Marco Schioppo a Andrew Ludlow z NIST na konci roku 2016.
Závěr
Nové hodiny zkonstruované v NIST mají takovou stabilitu, že by se za celou dobu existence vesmíru opozdily nebo předešly o pouhý zlomek sekundy. Pokud by se podařilo vědcům z NIST sestavit hodiny, které by bylo možné přenést i mimo jejich laboratoř, bylo by možné měřit změny chodu času způsobené nehomogenitami podpovrchových vrstev naší Země, jemné efekty obecné relativity, případné změny fundamentálních konstant i další jevy. Zatím zůstává otevřenou otázkou, zda by pro experimenty mimo laboratoř nebylo přece jen lepší použít jedny hodiny s vysoce stabilním laserem. Na to ale zatím neexistuje odpověď, a tak musíme počkat, jak se vědcům v NIST nadále povede.
Ultrastabilní hodiny zkonstruované v NIST v roce 2016. Jde o
laboratorní časový
standard, který není v tuto chvíli transportovatelný mimo
laboratoř. Zdroj: NIST.
Odkazy
- M. Schioppo et al.: Ultrastable optical clock with two cold-atom ensembles; Nature Photonics 11 (2017) 48–52. Neplacená ArXiv verze
- Tim Wogan: Dual optical clock races towards peak precision; Physics World 15 Dec 2016
- NIST News: NIST Ytterbium Atomic Clocks Set Record for Stability; 22 aug 2013
- Patrick Gill et al.: Optical Atomic Clocks for Space; NPL 2008
- S Bize et al.: Cold atom clocks and applications; J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38 (2005) S449–S468
- Jean-Marie Danet et al.: Dick effect in a pulsed atomic clock using coherent population trapping; IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 2014
