Dünyadaki saatler, Boulder, Colorado’daki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) kampüsünde yeni bir atom saati olan NIST-F4 sayesinde biraz daha düzenli olarak işaretliyor.
Bu ay, NIST araştırmacıları Metroloji NIST-F4’ün dünyanın en doğru zaman işleyicilerinden biri olarak kurulması. NIST ayrıca, dünyanın zamanını denetleyen vücut olan Uluslararası Ağırlık ve Önlemler Bürosu (BIPM) tarafından birincil frekans standardı olarak kabul için saati sundu.
NIST-F4, 1967’den bu yana ikincisini tanımlamak için uluslararası olarak kabul edilen temelde, sezyum atomlarının kalbinde değişmeyen bir frekans ölçer. Saat, zaman tutmada altın doğruluk standardını temsil eden bir “çeşme” tasarımına dayanmaktadır. NIST-F4, 100 milyon yıl önce koşmaya başlamış olsaydı, dinozorlar dolaştığında, bugün bir saniyeden daha az bir süre kalacaktı.
NIST-F4, dünyanın sadece 10 ülkesi tarafından işletilen benzer şekilde seçkin saatlerden oluşan küçük bir grup katılarak küresel zamanın temelini daha istikrarlı ve güvenli hale getiriyor. Aynı zamanda, Nist’in resmi ABD zamanını korumak için kullandığı saatleri yönlendirmeye yardımcı oluyor. Radyo ve İnternet aracılığıyla dağıtılan resmi ABD zamanı telekomünikasyon ve ulaşım sistemleri, finansal ticaret platformları, veri merkezi operasyonları ve daha fazlası için kritiktir.
NIST-F4, NIST’teki zaman ve frekans bölümünün şefi Liz Donley, “saatler ve saatler ayarlamalarından yüz milyarlarca dolarlık elektronik finansal işlemin doğru zaman damgasını sağlamaya kadar her şey için her gün milyarlarca kez kullanılan zaman sinyallerini geliştirdi.
Özel bir saat türü
NIST-F4 gibi sezyum çeşme saatleri bir tür atomik saattir-zamanlama darbelerini atomlardan çıkaran karmaşık, yüksek hassas bir cihaz. Bu saatler küresel olarak bağlantılı toplumumuzda kritik bir rol oynar: koordineli evrensel zamanı kalibre etmek için birlikte çalışan “birincil frekans standartları” veya UTC’yi (zaman ölçeği olarak bilinen dünyanın dört bir yanındaki atomik saatlerden veri kullanarak kararlaştırılmış bir sistem).
NIST gibi ulusal ölçüm laboratuvarları, kendi zaman ölçeklerini kullanarak UTC’nin sürümlerini üretir ve dağıtır; Örneğin NIST’in versiyonu UTC (NIST) olarak bilinir. Bu ulusal zaman ölçekleri daha sonra günlük yaşamlarımızda güvendiğimiz saatleri ve ağları senkronize etmek için kullanılır.
Çeşme saatlerinde, binlerce sezyum atomu bulutu ilk olarak lazerler kullanılarak mutlak sıfıra yakın olarak soğutulur. Daha sonra, bir çift lazer ışını atomları hafifçe yukarı doğru fırlatır, ardından kendi ağırlıklarına düşerler.
Yolculukları sırasında, atomlar mikrodalga radyasyonuyla dolu küçük bir odadan iki kez geçer. İlk kez, atomlar yukarı çıkarken, mikrodalgalar atomları, zaman içinde sezyum rezonans frekansı olarak bilinen özel bir frekansta döngüde olan bir kuantum durumuna sokar – doğa yasaları tarafından ayarlanan değişen bir sabit.
Yaklaşık bir saniye sonra, atomlar düştükçe, mikrodalgalar ve atomlar arasında ikinci bir etkileşim, saatin mikrodalga frekansının atomların doğal rezonans frekansına ne kadar yakın olduğunu ortaya çıkarır. Bu ölçüm, mikrodalga frekansını atomik rezonans frekansına ayarlamak için kullanılır.
Bir dedektör daha sonra ince ayarlı mikrodalgaların 9.192.631.770 dalga döngülerini sayar. Bu döngüleri saymak için gereken zaman, resmi uluslararası ikinciyi tanımlar.
(Bu, 2030 gibi erken bir tarihte değişebilir, ülkeler, çeşme saatlerinden daha kesin olarak daha kesin olarak ölçebilen optik saatlerde kullanılan bir veya daha fazla farklı atomik element olarak ikinciyi yeniden tanımlamayı düşünmeyi planladıklarında. Bundan sonra bile, sezyum çeşme saatleri hala zamankotta önemli bir rol oynayacaktır).
Yapımda bir yolculuk yılı
Dünyanın herhangi bir yerinde 20’den az sezyum çeşmesi faaliyet gösteriyor. İnternet veri merkezleri, borsalar ve diğer özel işletmeler için saniyeler geçiren ticari olarak temin edilebilen atomik saatlerin aksine, neredeyse her çeşme saati, NIST gibi bir ulusal ölçüm laboratuvarında bilim adamları tarafından inşa edilir ve işletilir.
Çeşme saati ekibinde NIST fizikçisi Greg Hoth, “Gerçek performans avantajlarına sahip güzel bir teknoloji, ancak çok hassas” dedi.
NIST-F4’ün bu nadir görülen kulübe kabul edilmesi, yapımda bir yolculuk oldu. Nist bilim adamları, 1990’ların sonlarında ajansın ilk çeşme saati NIST-F1’i inşa ettiler. NIST-F1 on yıldan fazla bir süredir koştu ve düzenli frekans kalibrasyonları yapmak için kullanıldı. Ancak çeşme saatleri kesin oldukları kadar kırılgan olabilir ve 2016’da yeni bir binaya taşındıktan sonra, saatin tekrar birincil frekans standardı olarak çalışması için geri yüklenmesi ve dikkatli bir şekilde test edilmesi gerekiyordu – beklenenden daha uzun süren bir süreç.
2020’de fizikçi Vladislav Gerginov, NIST-F1’in frekans ölçümlerini araştırmaya başladı. Sonunda, Hoth ve meslektaşları, saatin çekirdeğini – sezyum atomlarının ölçüldüğü mikrodalga boşluğunu – çizikten yeniden inşa etmeye karar verdiler. Gerekli hassasiyeti elde etmek için, bir insan saçının genişliğinin yaklaşık beşte biri-5 ila 10 mikron tolerans elde etmeleri gerekiyordu.
Bilim adamları yeni elektrikli ısıtma bobinleri, manyetik bobinler, optik ve mikrodalga bileşenleri ekledi ve ince ayarladı. NIST ekibi yeni çeşme NIST-F4 adını vermeye karar verdi. (NIST, NIST-F2 ve NIST-F3 olmak üzere iki çeşme saati daha inşa etti ve NIST-F4’ü seride dördüncü yaptı.)
Araştırma ekibi, NIST-F4’ün basınç ve sıcaklık dalgalanmaları veya başıboş elektrik ve manyetik alanlar gibi faktörlerle atılmamasını sağlamak için aylarca ölçüm aldı. Çeşmenin kenelerini, istikrarlı ve değişmeyen bir ritmi tuttuklarından emin olmak için, resmi ABD zamanı için saniyeleri işaretleyen atomik saatler olan hidrojen masers ile karşılaştırdılar.
“Çeşme saatlerinin çok sıkıcı olması gerekiyor,” dedi Hoth.
Gerginov, NIST-F4 gibi bir çeşme saatini “yavaş bir süreçtir çünkü çok muhafazakar olmalıyız” dedi. “Bu konuda her şeyi bilmeliyiz” dedi, çünkü zamanlama sinyallerindeki herhangi bir hata sadece ABD zamanını değil, aynı zamanda küresel zaman tutma altyapısını da bozabilir.
Bu ay NIST ekibi, NIST-F4’ün frekans ölçümlerinin 10’da 2,2 kısım içinde doğru olduğunu ve dünyanın en iyi çeşme saatleri ile uyumlu olduğunu bildirdi. NIST ekibi ayrıca saat verilerini BIPM’ye gönderdi ve burada bir uzman ekibinin BIPM resmi olarak birincil frekans standardı olarak onaylamadan önce kontrol ettiği.
Donley, “NIST-F4’ün başarısı, NIST’in birincil frekans standartlarında küresel liderliğini yeniledi.” Dedi. “Vladi ve Greg, NIST’in atom çeşmelerinin güvenilir, birinci sınıf operasyonunu geri kazanmak için yaratıcılık ve beceri kullandılar.”
NIST-F4 ve ikinci bir çeşme saati olan NIST-F3, zamanın yaklaşık% 90’ını çalıştırır, saatlerden en az biri herhangi bir zamanda çalışır. NIST-F4’ten elde edilen veriler, UTC’yi kalibre etmek için periyodik olarak BIPM’ye gönderilecek ve her iki saat de NIST Zaman Ölçeği UTC’nin (NIST) yönlendirilmesine yardımcı oluyor.
Donley, NIST zaman ölçeği “çeşmenin yüksek çalışma süresinden ve performansının güvenilirliğinden önemli ölçüde fayda sağlamıştır” dedi.
