Bugün öğrendim ki: Atom saatlerinin o kadar hassas olduğu ki, en doğru olanların bile 30 milyar yıl boyunca, yani evrenin yaşından daha uzun bir süre boyunca tek bir saniye bile kaybetmeyeceği.
Atomların rezonans frekansını izleyen bir saat.
Radyo sinyalleriyle güncellenen bir saat için, bkz. Radyo saati. Felaket yıkımı riski ölçütü olarak saat için, bkz. Kıyamet Saati. Diğer konular için, bkz. Atom Saati (belirsizlik giderme).
Atom saati, atomların rezonans frekansını izleyerek zamanı ölçen bir saattir. Farklı enerji seviyelerine sahip atomlara dayanmaktadır. Bir atomdaki elektron durumları farklı enerji seviyeleriyle ilişkilendirilir ve bu durumlar arasındaki geçişlerde çok spesifik bir elektromanyetik radyasyon frekansıyla etkileşime girerler. Bu olgu, Uluslararası Birimler Sistemi'nin (SI) saniye tanımının temelini oluşturur:
Saniye, sembolü s, zamanın SI birimidir. Sezyum frekansının, Δ ν Cs {\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}} , sezyum-133 atomunun bozulmamış temel durum hiper ince geçiş frekansının, Hz biriminde ifade edildiğinde 9192631770 olarak alınan sabit sayısal değeriyle tanımlanır, bu da s−1'e eşittir.
Bu tanım, dünyanın dört bir yanındaki atom saatlerinin bir topluluğu tarafından sürdürülen Uluslararası Atom Zamanı (TAI) sisteminin temelini oluşturur. Sivil zamanın temeli olan Koordine Evrensel Zaman (UTC) sistemi, saat zamanının Dünya'nın dönüşündeki değişiklikleri bir saniye içinde takip etmesine izin vermek için artık saniyeleri uygular; ancak, artık saniyeler 2035 yılında aşamalı olarak kaldırılacaktır.[2]
Atom saatlerinin doğru zaman tutma yetenekleri, Avrupa Birliği'nin Galileo Programı ve Amerika Birleşik Devletleri'nin GPS'i gibi uydu ağları tarafından navigasyon için de kullanılır. İlgili atom saatlerinin zaman tutma doğruluğu önemlidir çünkü zaman ölçümündeki hata ne kadar küçük olursa, zamanın ışık hızıyla çarpımıyla elde edilen uzaklıktaki hata da o kadar küçük olur (bir nanosaniyelik veya 1 milyarda bir saniyelik (10−9 veya 1⁄1.000.000.000 saniye) zamanlama hatası, yaklaşık 30 santimetre (11,8 inç) mesafeye ve dolayısıyla konumsal hataya dönüşür).
Atom saatlerinin ana çeşidi, mutlak sıfıra yaklaşan sıcaklıklara soğutulmuş sezyum atomları kullanır. Amerika Birleşik Devletleri'nin birincil standardı olan Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nün (NIST) NIST-F2 adlı sezyum çeşme saati, 300 milyon yılda 1 saniyelik bir belirsizlikle zaman ölçer (göreli belirsizlik 10−16). NIST-F2, 3 Nisan 2014 tarihinde çevrimiçi hale getirildi.[3][4]
Tarih
[düzenle]
İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, 1873 tarihli Elektrik ve Manyetizma Üzerine İncelemesinde zamanı ışık dalgalarının titreşimleriyle ölçmeyi önerdi: 'Daha evrensel bir zaman birimi, dalga boyu uzunluk birimi olan belirli bir ışık türünün titreşim periyodunu alarak bulunabilir.'[5][6] Maxwell, bunun zaman tutma için ortalama güneş saniyesini tanımlayan Dünya'nın dönüşünden daha doğru olacağını savundu.[7]
1930'larda Amerikalı fizikçi Isidor Isaac Rabi, atom ışını manyetik rezonans frekans saatleri için ekipmanlar yaptı.[8][9]
Mekanik, elektromekanik ve kuvars saatlerin doğruluğu, sıcaklık dalgalanmalarıyla azalır. Bu, James Clerk Maxwell, Lord Kelvin ve Isidor Rabi'nin önerdiği gibi, zamanı çok daha doğru bir şekilde tutmak için bir atomun titreşim frekansının ölçülmesi fikrine yol açtı.[10] 1945 yılında konsepti önerdi ve bu, 1949 yılında amonyağa dayalı bir saatin gösterimine yol açtı.[11] Bu, Birleşik Krallık'taki Ulusal Fizik Laboratuvarında 1955 yılında Louis Essen'ın Jack Parry ile işbirliği içinde sezyum atomlarıyla ilk pratik doğru atom saatinin yapılmasına yol açtı.[12][13][14]
1949 yılında Alfred Kastler ve Jean Brossel[16], ışık kullanarak atomlardaki elektron enerji seviyesi geçişleri için optik pompa adı verilen bir teknik geliştirdiler. Bu teknik, çok daha güçlü manyetik rezonans ve mikrodalga emilim sinyalleri oluşturmak için kullanışlıdır. Ne yazık ki, bu, rezonans frekansında bir ışık kaymasıyla bir yan etkiye neden oldu. Claude Cohen-Tannoudji ve diğerleri, ışık kaymalarını kabul edilebilir seviyelere indirmeyi başardı.
Ramsey, günümüzde Ramsey interferometrisi olarak bilinen, salınım alanlarında daha yüksek frekanslar ve daha dar rezonanslar için bir yöntem geliştirdi. Kolsky, Phipps, Ramsey ve Silsbee bu tekniği 1950 yılında moleküler ışın spektroskopisi için kullandı.[17]
1956'dan sonra, atom saatleri ABD'deki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (eski adıyla Ulusal Standartlar Bürosu), Almanya'daki Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Kanada'daki Ulusal Araştırma Konseyi (NRC), Birleşik Krallık'taki Ulusal Fizik Laboratuvarı, Uluslararası Zaman Bürosu (Fransızca: Bureau International de l'Heure, kısaltması BIH), Paris Gözlemevi'nde, Ulusal Radyo Şirketi, Bomac, Varian, Hewlett-Packard ve Frequency & Time Systems gibi birçok grup tarafından incelendi.[18]
1950'lerde Ulusal Radyo Şirketi, ilk atom saati olan Atomichron'un 50'den fazla birimini sattı.[19] 1964 yılında Hewlett-Packard'daki mühendisler, sezyum saatlerinin 5060 raf tipi modelini piyasaya sürdüler.[10]
Saniyenin tanımı
[düzenle]
Ana madde: Saniye
1968 yılında SI, saniyenin süresini sezyum-133 atomunun bozulmamış temel durum hiper ince geçiş frekansının 9192631770 titreşimi olarak tanımladı. Bundan önce, 1900 tropikal yılında 31556925.9747 saniye olduğu tanımlanmıştı.[20] 1997 yılında Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi (CIPM), önceki tanımın mutlak sıfır sıcaklığında duran bir sezyum atomuna atıfta bulunduğunu ekledi.[21]: 113 2019 SI revizyonunun ardından, mol hariç her temel birimin ve neredeyse her türetilmiş birimin tanımı, saniyenin tanımına dayanmaktadır.
Zaman tutma araştırmacıları, saniye için optik saatlere veya Rydberg sabitine dayalı olarak atom saatleri geliştirildikçe, 2030 yılı civarında saniyenin daha kesin bir tanımını bulma planıyla daha kararlı bir atom referansı arıyorlar.[22][23]
Metroloji gelişmeleri ve optik saatler
[düzenle]
Lazerler ve optik frekans tarakları gibi teknolojik gelişmeler, 1990'larda atom saatlerinin doğruluğunu artırdı.[24][25] Lazerler, mikrodalgalarınkinden çok daha yüksek bir frekansta atomik durum geçişleri üzerinde optik aralıklı kontrol olasılığını sağlar; optik frekans tarak ise ışıktaki bu yüksek frekanslı salınımı son derece hassas bir şekilde ölçer.
Sezyum saatlerinin hassasiyetinin ötesindeki ilk ilerleme, 2010 yılında NIST'te, 10−17 hassasiyetine ulaşmak için alüminyum iyonları kullanan bir "kuantum mantığı" optik saati gösterimiyle gerçekleşti.[26] Optik saatler, bilim insanları iterbiyum, cıva, alüminyum ve strontyum bazlı saatler geliştirmek için çalışırken, metroloji alanında çok aktif bir araştırma alanıdır. JILA'daki bilim insanları, 2015 yılında 10−18 frekans hassasiyetine sahip bir strontyum saati gösterdiler.[27] NIST'teki bilim insanları, 2019 yılında 9.4×10−19 frekans belirsizliğine sahip tek bir alüminyum iyonunu ölçen bir kuantum mantığı saati geliştirdiler.[28][29]
JILA'da Eylül 2021'de bilim insanları, 1 mm ayrılarak oluşturulan atomik topluluklar arasında 7.6×10−21 fark frekans hassasiyetine sahip bir optik strontyum saati gösterdiler.[açıklama gerekli][30][31] Optik saatler alanı olgunlaştığında, 2030 veya 2034 yılları civarında saniyenin yeniden tanımlanması bekleniyor.[32] Bunun gerçekleşmesi için, optik saatlerin frekansı 2×10−18 veya daha iyi bir doğrulukta sürekli olarak ölçebilmesi gerekir. Ayrıca, ulusal metroloji laboratuvarlarında dünyanın dört bir yanındaki farklı optik saatlerin güvenilir bir şekilde karşılaştırılması için yöntemler gösterilmelidir [açıklama gerekli] ve karşılaştırma, 5×10−18 veya daha iyi göreli saat frekans doğruluğu göstermelidir.
Çip ölçekli atom saatleri
[düzenle]
Optik saatlerin kullanımını jeodezi ve GPS navigasyonunda etkinleştirmek için boyutlarını ve güç tüketimini azaltmak gereklidir. Ağustos 2004'te NIST bilim insanları, normal bir atom saatinden 100 kat daha küçük olan ve 125 mW'lık çok daha düşük bir güç tüketimine sahip çip ölçekli bir atom saati gösterdiler.[33][34] Atom saati, yaklaşık 9 GHz frekansında bir pirinç tanesi büyüklüğündeydi. Bu teknoloji 2011 yılında ticari olarak kullanılabilir hale geldi.[33]
Atom saatleriyle zaman ölçümü
[düzenle]
Saat mekanizması
[düzenle]
Bir atom saati, iki olası enerji durumundan birinde olabilen bir atom sistemine dayanır. Bir durumdaki bir grup atom hazırlanır, daha sonra mikrodalga radyasyonuna maruz bırakılır. Radyasyon doğru frekansta ise, bazı atomlar diğer enerji durumuna geçecektir. Frekans, atomların doğal salınım frekansına ne kadar yakınsa, o kadar çok atom durum değiştirecektir. Bu korelasyon, mikrodalga radyasyonunun frekansının çok doğru bir şekilde ayarlanmasına olanak tanır. Mikrodalga radyasyonu, maksimum sayıda atomun durum değiştirdiği bilinen bir frekansta ayarlandıktan sonra, atom ve dolayısıyla ilişkili geçiş frekansı, geçen zamanı ölçmek için zaman tutma osilatörü olarak kullanılabilir.[35]
Tüm zaman tutma cihazları, ister güneş saati için Dünya'nın dönüşü, ister büyükbaba saati için bir sarkacın salınımı, ister bir saatte yayların ve dişlilerin titreşimleri, ister bir kuvars kristal saatinde voltaj değişiklikleri olsun, zamanı doğru bir şekilde ölçmek için salınımlı olaylar kullanır. Bununla birlikte, bunların tümü sıcaklık değişikliklerinden kolayca etkilenir ve çok doğru değildir. En doğru saatler, zamanı takip etmek için atomik titreşimleri kullanır. Atomlardaki saat geçiş durumları sıcaklığa ve diğer çevresel faktörlere karşı duyarsızdır ve salınım frekansı diğer saatlerin herhangi birinden çok daha yüksektir (mikrodalga frekans rejiminde ve daha yüksek).
Bir saatin performansındaki en önemli faktörlerden biri, rezonansın mutlak frekansının ν 0 {\displaystyle \nu _{0}} rezonansın kendisinin çizgi genişliğine Δ ν {\displaystyle \Delta \nu} oranı olarak tanımlanan atomik çizgi kalite faktörü Q'dur. Atomik rezonans, mekanik cihazlardan çok daha yüksek bir Q'ya sahiptir. Atom saatleri ayrıca çevresel etkilerden çok daha yüksek bir dereceye kadar izole edilebilir. Atom saatlerinin, atomların evrensel olması avantajı vardır; bu, salınım frekansının da evrensel olduğu anlamına gelir. Bu, evrensel bir frekansı olmayan kuvars ve mekanik zaman ölçüm cihazlarından farklıdır.
Bir saatin kalitesi, doğruluk ve kararlılık olmak üzere iki parametreyle belirtilebilir. Doğruluk, saatin tiklama hızının, izole edilmiş bir atomun veya iyonun doğal hiper ince frekansı gibi mutlak bir standartla eşleşmesi için güvenilebileceği derecenin bir ölçümüdür. Kararlılık, gürültünün ve diğer kısa süreli dalgalanmaların etkisini azaltmak için zaman içinde ortalama alındığında saatin nasıl performans gösterdiğini tanımlar (bkz. hassasiyet).[36]
Bir atom saatinin kararsızlığı, Allan sapması σ y ( τ ) {\displaystyle \sigma _{y}(\tau)} ile belirtilir.[37] Atom veya iyon sayma istatistiklerinden kaynaklanan sınırlayıcı kararsızlık şu şekilde verilir:
σ y , a t o m s ( τ ) ≈ Δ ν ν 0 N T c τ , {\displaystyle \sigma _{y,\,{\rm {atoms}}}(\tau )\approx {\frac {\Delta \nu }{\nu _{0}{\sqrt {N}}}}{\sqrt {\frac {T_{\text{c}}}{\tau }}},}
burada Δ ν {\displaystyle \Delta \nu} saat sisteminin spektroskopik çizgi genişliğidir, N {\displaystyle N} tek bir ölçümde kullanılan atom veya iyon sayısıdır, T c {\displaystyle T_{\text{c}}} bir döngü için gereken zamandır ve τ {\displaystyle \tau} ortalama alma süresidir. Bu, çizgi genişliği Δ ν {\displaystyle \Delta \nu} daha küçük olduğunda ve N {\displaystyle {\sqrt {N}}} (sinyal gürültü oranı) daha büyük olduğunda kararsızlığın daha küçük olduğu anlamına gelir. Ölçümlerin ortalama alındığı zaman τ {\displaystyle \tau} saniyelerden saatlere, günlere kadar arttıkça kararlılık iyileşir. Kararlılık, osilatör frekansı ν 0 {\displaystyle \nu _{0}} tarafından en çok etkilenir. Bu nedenle, strontyum saatleri (429 terahertz) gibi optik saatler, sezyum saatlerinden (9.19 GHz) çok daha kararlıdır.
Ardışık sorgulama kullanan atomik çeşmeler veya optik kafesler gibi modern saatlerin, atom veya iyon sayımında doğal olarak bulunan kararsızlığa benzeyen ve eklenen bir gürültü türü ürettiği bulunmuştur. Bu etkiye Dick etkisi[38] denir ve genellikle daha yeni atom saatleri için birincil kararlılık sınırlamasıdır. Bu, bir karıştırma etkisidir; yerel osilatördeki ("LO") yüksek frekanslı gürültü bileşenleri, LO frekansına geri besleme hassasiyetindeki tekrarlayan değişimin harmonikleri tarafından sıfır frekansına yakın bir frekansa heterodin edilir. Etki, artık yüksek kararlılığa ek olarak düşük faz gürültüsüne sahip olması gereken LO'ya yeni ve sıkı gereksinimler getirir ve böylece sistemin maliyetini ve karmaşıklığını artırır. Flicker frekans gürültüsüne sahip bir LO durumunda[39] σ y L O ( τ ) {\displaystyle \sigma _{y}^{\rm {LO}}(\tau)} τ {\displaystyle \tau} 'dan bağımsızdır, sorgulama süresi T i {\displaystyle T_{i}} 'dir ve görev faktörü d = T i / T c {\displaystyle d=T_{i}/T_{c}} tipik değerlere 0.4 < d < 0.7 {\displaystyle 0.4