Το ρολόι με τη μεγαλύτερη ακρίβεια στον κόσμο

Πηγή: PhysicsWeb, 23 Μαίου 2005

Κοντά στην κατασκευή του ακριβέστερου ρολογιού στον κόσμο, που θα χάνει μόνο 10^-18 δευτερόλεπτα την ημέρα βρίσκονται επιστήμονες από την Ιαπωνία.

Ο καθηγητής Hidetoshi Katori στο πανεπιστήμιο του Tokyo, στον οποίο οφείλεται η ανακάλυψη, λέει ότι το ρολόι τους θα βασίζεται σε ένα "εκκρεμές" των ατόμων του στροντίου, με τη βοήθεια ενός λέιζερ.

Η έρευνα για το νέο ρολόι "οπτικού πλέγματος",  που είναι 1000 φορές ακριβέστερο από τα υπάρχοντα. δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature.

Κάθε ρολόι έχει ένα μετρητή που μετρά κάτι περιοδικό. Όσο μικρότερη είναι αυτή η περίοδος, τόσο πιο ακριβές είναι το ρολόι. Γι' αυτό οι άνθρωποι αντικατέστησαν τα ηλιακά ρολόγια με περίοδο μιας ημέρας, με τά εκκρεμή που είχαν περίοδο ένα δευτερόλεπτο και στη συνέχεια με τα ρολόγια χαλαζία με 10.000 ταλαντώσεις το δευτερόλεπτο. Τώρα έχουμε το ρολόι καισίου που μετρά 9 δις ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο.

Τα καλύτερα ρολόγια χρησιμοποιούν σήμερα άτομα καισίου-133. που απορροφούν ραδιοκύματα μιας συγκεκριμένης συχνότητας με σκοπό να κάνουν τα ηλεκτρόνια να κινούνται πάνω-κάτω. Και σήμερα το δευτερόλεπτο ορίζεται σαν ο χρόνος στον οποίο τα άτομα του καισίου ταλαντώνονται 9.192.631.770 φορές.

Εάν αυτή η συχνότητα, το εκκρεμές του ρολογιού, αλλάξει, τότε αυτή διορθώνεται αμέσως.  Έτσι το ρολόι διατηρεί το σωστό χρόνο.

Αυτά τα ατομικά ρολόγια έχουν μια ακρίβεια ένα προς 10¹⁵. Με άλλα λόγια, χάνουν ένα δέκατο του ενός δισεκατομμυριοστού του ενός δευτερολέπτου κάθε ημέρα ή 1 δευτερόλεπτο σε περίπου 30 εκατομμύρια χρόνια. Αυτού του είδους τα ρολόγια έκαναν την εμφάνιση τους τη δεκαετία του '50 και λειτουργούν μετρώντας τη συχνότητα ταλάντωσης των ατόμων του καισίου.

Όμως τα ατομικά ρολόγια του καισίου έχουν φθάσει στο όριό τους επειδή τα ραδιοκύματα λειτουργούν σε μια πολύ χαμηλότερη συχνότητα από τα οπτικά κύματα.

Αγώνας για την ακρίβεια

Η νέα ιαπωνική εφεύρεση είναι το πιο πρόσφατο βήμα ενός παγκόσμιου αγώνα για την ανάπτυξη ενός ατομικού ρολογιού τροφοδοτημένου με λέιζερ.

Η πρώτη μεγάλη ανακοίνωση έγινε το 2001 από το Αμερικανικό Εθνικό 'Ιδρυμα Προτύπων και Τεχνολογίας, το οποίο χρησιμοποίησε ένα λέιζερ και ένα απλό ιόν υδραργύρου για να δίνει το απαραίτητο "τικ".

Όμως αυτό ξεπεράστηκε πέρυσι από το Βρετανικό Εθνικό Φυσικό Εργαστήριο, το οποίο βελτίωσε την ακρίβεια με την παγίδευση ενός ιόντος στροντίου, μια τεχνική που είναι διαφορετική από εκείνη του ιάπωνα Katori.

Οι προσπάθειες όμως αυτές, με υδράργυρο και στρόντιο, αποδείχθηκαν πολύ δύσκολα υλοποιήσιμες σε τεχνικό επίπεδο. Τη λύση έδωσε ο Katori και η ομάδα του που  κατόρθωσαν να 'δαμάσουν' το στρόντιο. Το σύστημα του περιλαμβάνει έξι δέσμες λέιζερ οι οποίες δημιουργούν αμετάβλητα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Αυτά δημιουργούν μια σειρά από «φρεάτια» ενέργειας καθένα από τα οποία φιλοξενεί ένα άτομο στροντίου, όπως μια αβγοθήκη συγκρατεί τα αβγά.

Η ιαπωνική ομάδα παγίδευσε ένα νέφος 10.000 ψυχρών ατόμων στροντίου σε μια θερμοκρασία μόλις 2 μικρο-Κelvin σε ένα μονοδιάστατο "οπτικό δικτυωτό πλέγμα", φτιάχνοντας ένα ιδιαίτερα σταθερό οπτικό ρολόι με συχνότητα ταλάντωσης 429 Τerahertz. Το πλέγμα διαμορφώνεται από τις κορυφές και τα κοίλα του στάσιμου κύματος που σχηματίζεται με την ανάκλαση του φωτός (μήκους κύματος 813,4 nm από ένα κάτοπτρο. Τα άτομα είναι παγιδευμένα στις αιχμές του στάσιμου κύματος.

Η παγίδευση των ατόμων στο δικτυωτό πλέγμα ενισχύει τη σταθερότητα του ρολογιού γιατί παρεμποδίζει τις συγκρούσεις μεταξύ των ατόμων - που μολύνουν τα παραδοσιακά ουδέτερα ατομικά ρολόγια. Συγχρόνως, ο μεγάλος αριθμός ατόμων δίνει ένα ισχυρό σήμα. Τα ρολόγια ενός απλού ιόντος, αφ' ετέρου, εκπέμπουν ένα ασθενές σήμα που χρειάζεται να υπολογιστεί κατά μέσο όρο κατά τη διάρκεια ενός μεγάλου χρονικού διαστήματος.

Η διάταξη αυτή επιτρέπει την ταυτόχρονη μέτρηση της ταλάντωσης πολλών ατόμων χωρίς το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του κάθε ατόμου να επηρεάζει τα γειτονικά του.

Φυσικά αυτά τα πρότυπα ρολόγια είναι απίθανο να φορεθούν στον καρπό των ανθρώπων. Οι κύριες εφαρμογές τους είναι η δορυφορική ναυσιπλοΐα και τα ευρυζωνικά δίκτυα (που διακινούν τεράστιες πληροφορίες στο διαδίκτυο), όπου είναι κρίσιμος ο ακριβής συγχρονισμός.

Επίσης, θα χρησιμοποιηθούν από τους φυσικούς για να εξετάσουν με ακρίβεια τις θεωρίες της σχετικότητας και της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής.

Home