Atoomklokken Worden Nog Preciezer

{h1}

Om draadloos gekoppelde optische atoomklokken te creëren, hebben onderzoekers laserpulsen over de open lucht verzonden.

Bijgewerkt op zaterdag 15 juni om 15.40 uur. ET.

Het ultieme accessoire in exacte tijdfunctie - de atoomklok - zal nog nauwkeuriger worden, nadat ultrakorte laserpulsen met succes zijn overgebracht in de open lucht om het "tikken" van nieuwe optische atoomklokken te synchroniseren.

Het bijhouden van extreem precieze tijd is niet alleen een kwestie van wetenschappelijke prestatie. Het is een sleutel tot vele moderne technologieën, van Global Positioning Systems (GPS) tot mobiele telefoonnetwerken en zenders van zenders. Voor GPS-systemen betekent een fout van slechts één nanoseconde of een miljardste van een seconde dat de locatie ongeveer 30 centimeter uit staat.

Voor maximale nauwkeurigheid wordt de Amerikaanse nationale tijdstandaard bepaald door atoomklokken. De huidige gebruiken extreem koude cesiumatomen, met een laser gekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. De cesiumatomen worden vervolgens gestraald met microgolven totdat de atomen met een bepaalde frequentie trillen. Die frequentie is gelijk aan de energie die wordt geabsorbeerd wanneer de microgolfstraling ervoor zorgt dat het buitenste elektron van het cesiumatoom naar een hogere baan springt, of 9.192.631.770 Hz. Wat we 'de tweede' noemen, wordt dan afgeleid van de duur van 9.192.631.770 perioden van deze frequentie. [Wacky Physics: de coolste kleine deeltjes in de natuur]

Nu ontwikkelen natuurkundigen nieuwe optische atoomklokken die ongeveer 100 keer nauwkeuriger kunnen zijn dan op basis van een magnetron. Ze werken op dezelfde manier, maar gebruiken laserlicht in plaats van microgolven. Laserlicht heeft een veel hogere frequentie en geeft daarom een ​​veel betere timingresolutie en veel snellere overdracht van gegevens.

Tijdwaarneming problemen

Veel nationale tijdwaarnemingslaboratoria hebben ten minste één type optische atoomklok,maar de definitie van een seconde vertrouwt er nog niet op, deels omdat het nog niet mogelijk is om ervoor te zorgen dat al deze klokken precies hetzelfde tempo aankruisen. Optische atoomklokken zijn uiterst delicate apparaten, en ook niet allemaal van hetzelfde type. Ze kunnen volledig verschillende soorten atomen gebruiken - zoals aluminiumionen, strontium-neutrale of ytterbium-ionen, die slechts enkele optische analogen zijn van de microgolfklok.

Maar zelfs als de optische klokken in verschillende laboratoria dezelfde atomen gebruiken, hangt de nauwkeurigheid van de klokken af ​​van hoe goed wetenschappers de omgeving van de atomen regelen, zei Patrick Gill van het National Physical Laboratory in het VK. Factoren omvatten "de achtergrondtemperatuur, of er nu magnetisch en elektrisch veldgeluid, ook de precieze invloed van de zwaartekracht, [omdat] klokken op verschillende hoogten verschillende aflezingen geven vanwege de algemene relativiteit van Einstein. "

Om optische atoomklokken als een algemene globale tijdschaal te gebruiken, moet de tijd op alle klokkenmoest overeenkomen. Ervoor zorgen dat de klokken overeenkomen, is relatief eenvoudig als de klokken naast elkaar in hetzelfde lab zitten, zei Gill, maar het is moeilijker voor klokken op afstand.

Momenteel is de beste manier om optische klokken bij elkaar te brengen, door de optische frequentie of het licht door te sturen naar de afstandsklok door die informatie langs een optische vezel te verzenden om de twee frequenties te vergelijken en "zie hoe goed ze het eens zijn" Zei Gill. Hij voegde eraan toe dat als de klokken het niet eens zijn, wetenschappers moeten uitzoeken wat de oorzaak is van de glitch en vervolgens controle hebben over die factor.

"Dit is absoluut van cruciaal belang als we volledig gebruik willen maken van de optische klokcapaciteit", zei Gill.

Maar vezels zijn geen ideale oplossing voor afgelegen en moeilijk toegankelijke gebieden.

Geen kabels meer

Dus fysici van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten besloten om kabels weg te doen. In plaats daarvan gebruikten ze een laser om ultrakorte infraroodpulsen te genereren met een zeer precieze snelheid van 1 picoseconde elke 10 nanoseconden, waarbij 10 ns overeenkomt met een bepaald aantal "tikken" van een optische atoomklok.

Het NIST-team stuurde de pulsen van één locatie naar een spiegel die 0,6 mijl (1 kilometer) verderop lag; de pulsen werden weerkaatst door de spiegel en teruggezonden naar een derde locatie, niet ver van de eerste - waardoor effectief kon worden aangetoond dat het mogelijk was om een ​​zeer precieze tikkende klok te nemen en de tikken over te brengen naar een locatie op 1,2 mijl (2 km) "zonder het in de war te brengen, "zei Nathan Newbury, co-auteur van NIST's Quantum Electronics and Photonics Division. "De eigenlijke link is een lus."

Om hun idee van de optische atoomklok uit te testen, hebben NIST-onderzoekers ultraprecieze tijdsignalen over de ether doorgegeven tussen een laboratorium op de campus van NIST in Boulder, Colo. En in de buurt van Kohler Mesa.

Om hun idee van de optische atoomklok uit te testen, hebben NIST-onderzoekers ultraprecieze tijdsignalen over de ether doorgegeven tussen een laboratorium op de campus van NIST in Boulder, Colo. En in de buurt van Kohler Mesa.

Krediet: Talbott / NIST

De test werd over land gedaan, maar uiteindelijk hopen de onderzoekers dat het mogelijk moet zijn om de pulsen via satellieten over te dragen.

In de toekomst zouden optische atoomklokken kunnen worden gebruikt voor satellietgebaseerde experimenten om Einstein's theorie van algemene relativiteitstheorie te bewijzen en om preciezere GPS-satellietnavigatiesystemen te creëren, die "zouden kunnen worden verbeterd in die zin dat je betere optische klokken in satellieten en crosslink zou kunnen plaatsen optisch, 'zei Newbury. [Top 10 uitvindingen die de wereld veranderden]

"Er kan een argument zijn voor beveiliging. GPS is op dit moment kwetsbaar in de zin dat je het kunt vastlopen. Een systeem met een optische backbone is veel veiliger omdat je het niet kunt vastlopen -optische systemen zijn directioneel, dus ze zijn veel moeilijker te blokkeren, "Voegde Newbury toe."Het is ook waarom optische signalen moeilijker te verzenden en te ontvangen zijn, omdat je op de juiste plaats moet wijzen."

Atmosferische problemen

Atmosferische turbulentie is een hindernis die optische klokken moeten opruimen, omdat de moleculen in de lucht in sommige gevallen een optisch signaal kunnen opbreken en tot een timingfout kunnen leiden.

"Ons systeem wordt niet beperkt door de linklengte, voor zover het precisie betreft, maar natuurlijk kan turbulentie op een gegeven moment de link onderbreken," zei hoofdonderzoeksauteur Fabrizio Giorgetta, ook van NIST. "Als er dichte mist is, kunnen we niets doen." Maar tijdens wind of regen, voegde hij eraan toe, een zogenaamde roerspiegel helpt corrigeren voor de turbulentie.

Gill van het National Physical Laboratory in het Verenigd Koninkrijk, die niet betrokken was bij het onderzoek, noemde de studie "een goed uitgangspunt" voor een alternatieve methode voor optische vezels voor nauwkeurige optische atoomklokken. Als de optische methode werkt, kan de bel luiden voor microgolf-gebaseerde atoomklokken.

Gedeeltelijk gefinancierd door DARPA, werd de studie gedetailleerd in het tijdschrift Nature Photonics.

Opmerking van de uitgever: Dit artikel is bijgewerkt om frequentie-eenheden te corrigeren van 9.192.631.770 GHz tot 9.192.631.770 Hz.

Volg ons @wordssidekick, Facebook & Google+. Origineel artikel op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Tijdreizen volgens de wetenschap | Het LAB | National Geographic.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com