X
تبلیغات
رایتل

اکنون ساعت‌های اتمی نوری از بهترین ساعت‌های اتمی سزیمی ماکرو‌ویو از لحاظ دقت بهتر عمل می‌کنند. «هرگز چیزی به جز بسامد را اندازه‌گیری نکن!» این توصیه ‌‌[1] آرتور شاولو برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 1981 است. بسامد در حقیقت کمیت فیزیکی است که می‌تواند با دقت بسیار زیادی اندازه‌گیری شود. و به این دلیل است که می‌توان آن را به استاندارد بسیار بالایی نسبت داد: در ساعت اتمی سزیمی یک ثانیه به صورت 9,192,631,770 برابر دوره تناوب تابش مایکرو‌ویو منتشر شده به وسیله اتم سزیم است که بین دو حالت اسپینی هسته‌ای گذار انجام می‌دهد [2]. اکنون در مجله ‌Physical Review Letters آلن مادج و همکارانش از شورای ملی تحقیقات کانادا گزارشی را منتشر کرده‌اند مبنی بر اینکه توانسته‌اند این دقت را با استاندارد بسامد اتمی دیگری افزایش دهند. گذار نوری در یک یون استرنسیوم منفرد می‌تواند اندازه‌گیری شود. علاوه بر این دقت اندازه‌گیری این فرکانس در حال حاضر می‌تواند جایگزین استاندارد سزیمی موجود شود. و این می‌تواند منجر به تصویب یک استاندارد بسامد جدید برای تعریف ثانیه به عنوان واحد زمان شود [3].


اندازه‌گیری بسامد، دقیق و بدون ابهام است. زیرا آن شامل شمارش تعداد دفعاتی است یک سیگنال تناوبی از صفر عبور عبور می‌کند. امروزه بهترین ساعت‌های اتمی سزیمی واحد استاندارد ثانیه در سیستم بین‌المللی را تعریف می‌کنند، در 1016 نسبتاً دقیق هستند (برای مثال مرجع [4] و مراجع درون آن را ببینید). از سال 1960 دقت ساعت‌های اتمی یک مرتبه در اندازه به ازای هر دهه افزایش یافته است

 
با این وجود استاندارد بسامد نوری از لحاظ دقت افزایش یافته است. اندازه‌گیری بسامد بر حسب استاندارد بسامد نوری با اندازه آن با استفاده از ساعت اتمی مشابه است با این تفاوت که به جای نوسان‌گر مایکرو‌ویو از لیزر فراپایدار استفاده می‌شود که گذار نوری در یک دسته اتم خنثی یا یون منفرد را بررسی می‌کند. پیشرفت در اندازه‌گیری بسامد نوری [5]، پایداری لیزری [6] و دست‌کاری لیزری جاذب‌های کوانتومی، دقت استانداردهای بسامد اتمی نوری را تا حد زیادی افزایش داده است. و ساعت‌های نوری از بهترین ساعت‌های سزیمی با توجه به پایداری نسبی بسامد عملکرد بهتری دارند زیرا آن‌ها تقریباً در 100,000 برابر آن بسامد کار می‌کنند. در اینجا باید توجه داشت که همان‌طور که شما نمی‌توانید زمان یک رویداد را با دقتی بهتر از یک کرنومتر اندازه‌گیری کنید، هیچ ساعتی هم نمی‌تواند دقتی بیشتر از بهترین ساعت‌های سزیمی داشته باشد. با این حال می‌توان نشان داد که استانداردهای بسامد نوری مرکز خط بدون اختلال یک گذار اتمی را بسیار بهتر از ساعت‌های اتمی سزیمی دوباره ایجادکنند.

استاندارد فرکانس نوری که مادج و همکارانش توسعه داده‌اند بر مبنای یون منفرد +88Sr خنک شده توسط لیزر است که در میدان الکترودینامیک ناشی از یک تله بسامد رادیویی قرار دارد. در این حالت، استاندارد ، بسامدی است که با تنظیم لیزر به گونه‌ای که با گذار
5s2 S1/2- 4d2 D5/2
مطابقت داشته باشد، بدست می‌آید. این گذار با ضریب کیفیت خطی طبیعی حدود 1015 می‌باشد. (برای مثال این ضریب کیفیت به ترتیب 12، 11 و 5 مرتبه در اندازه بزرگتر از یک دیاپازون، یک بلور کوارتز در ساعت مچی و یک ساعت سزیمی می‌باشد.) مادج و همکارانش باید از یک ابزار دقیق برای اندازه‌گیری بسامد لیزری استفاده می‌کردند. طی چندین ماه آن‌ها بارها و بارها بسامد لیزری را با دقت به وسیله ارجاع آن به خطوط نوری فضایی یک «شانه بسامدی» اندازه‌گیری کردند. شانه به وسیله پالس‌های فمتو‌متری لیزر ایجاد می‌شود که به نوبه خود به یک میزر هیدروژنی نسبت داده می‌شود [4] . با تکمیل شدن زنجیره مراجع بسامد، میزر با ثانیه‌ی سیستم بین‌المللی از طریق سیگنال‌ ماهواره‌های مکان‌یاب جهانی مقایسه می‌شود. این سیگنال‌ها به طور منظم در حالت «نمایش مشترک» توسط محققان در آزمایشگاه‌های زمان سراسر جهان نظارت می‌شود و با سیگنال‌های ساعت‌های اصلی مقایسه می‌شوند.

از اندازه‌گیری‌های بدست آمده طی یک دوره 100 روزه، مادج و همکارانش توانستند یک مقدار برای فرکانس گذار نوری +Sr به میزان 4,447,790,444,095,485.5Hz با عدم قطعیت کسری 15-10×2 بدست آورند. عدم قطعیت به وسیله مرجع زمانی که بکار بردند، محدود شد. آن‌ها طی بررسی‌های عمیق و دقیقی نشان دادند که عدم قطعیت کسری استاندارد بسامد استرنسیوم 17-10×2 است که از عدم قطعیت بهترین ساعت‌های اتمی سزیمی کمتراست.

استانداردهای بسامد نوری دیگری نیز وجود دارند. آن‌ها بر اساس یون‌های منفردی هستند که با عدم قطعیت پایین به طور مشابه افزایش می‌یابند [7,8]. در دقیق‌ترین این استاندارد‌ها یون +Al استفاده می‌شود و بر مبنای یک طرح منطقی کوانتومی قرار دارد که توسط دیو واینلند برنده جایزه نوبل توسعه داده شده است [8]. با بررسی استاندارهای بسامد نوری که بر اساس تعداد زیادی اتم استرنسیوم خنثی هستند، عدم قطعیت کم مشابهی بدست آمد [9] و به این معناست که بسامد‌های نوری را می‌توان دوباره تولید کرد به گونه‌ای که بسیار دقیق‌تر از نمونه‌های موجود باشند.

در نتیجه در دراز مدت می‌توان انتظار داشت که استاندارد‌های بسامد نوری جایگزین گذار فوق سریع سزیم برای تعریف ثانیه در سیستم بین‌المللی یکاها شود. به منظور تشخیص بهترین کاندیدا برای بازتعریف ثانیه، کمیته بین‌المللی اوزان و مقیاس استاندارد‌های انگشت‌شماری را تحت عنوان «بازنمود‌های ثانویه » برای ثانیه انتخاب کرده است. ساعت +Sr در میان آن‌ها قرار دارد [10]. کمیته شورای زمان و فرکانس به گروه مادج پیشنهاد کرده است که عدم قطعیت این استاندارد به عنوان باز‌نمود ثانویه باید کاهش یابد.

توسعه استاندارد‌های بسامد نوری تاثیر قابل ملاحظه‌ای در زمینه‌های مختلف علوم و فن‌آوری می‌گذارد. مقیاس‌های زمانی دقیق‌تر و پایدارتر مستقیماً روی سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری به وسیله تاثیر مستقیم روی ناوبری اعماق فضا اثر می‌گذارد. ساعت‌های بهتر، روش‌های آزمایش نظریه‌های جدید را بهبود می‌بخشند مانند نظریه نسبیت عام و خاص، الکترودینامیک کوانتومی و هم‌چنین پایداری ثابت‌های اساسی. امروز نظریه‌های نسبیت عام وخاص هر دو در زمینه‌های کاربردی‌شان خوب عمل کرده‌اند اما آن‌ها متقابلاً سازگار نیستند. تلاش‌های زیادی برای دست یافتن به نظریه فراگیری شامل هر دو که تغییرات ثابت‌های اساسی را به طور یکسان پیش‌بینی کنند، صورت گرفته است. در حال حاضر مقایسه ساعت‌های نوری مختلف بیشترین محدودیت‌ها را برای تجربیات آزمایشگاهی روی چنین تغییرات زمانی ایجاد کرده است [11].

دسترسی به ساعت‌های بهتر هم‌چنین منجر به زمینه‌های جدیدی در کاربرد و تحقیق می‌شود مانند ژئودزی نسبیتی که در آن می‌توان پتانسیل گرانشی زمین را به وسیله تغییر مکانی ساعت با دقت بسیار بالا هنگامی‌که با یک ساعت مرجع از راه دور مقایسه می‌شود، تعیین کرد. ساعت‌های بهتر در ستاره‌شناسی و کاربرد‌های فضایی به واسطه سیستم‌های مرجع بهتر باعث ردیابی فوق‌العاده دقیق سفینه‌ای فضایی می‌شود.

منبع : http://physics.aps.org/articles/v5/126
free counters