Zegary atomowe do użytku w terenie i w kosmosie
Sercem każdego zegara jest oscylacja o bardzo regularnym okresie — od ruchów wahadła po oscylacje kryształu kwarcu pobudzanego prądem elektrycznym. Pomimo niezwykle pomysłowych rozwiązań konstrukcyjnych zegary mechaniczne i elektromechaniczne są jednak podatne na zmiany temperatury i starzenie się części. W obliczu wymagań dotyczących coraz większej precyzji mierzenia czasu potrzebne są oscylatory o coraz wyższych częstotliwościach. Optyczne zegary atomowe wykorzystują częstotliwość przejść elektronowych z jednej orbity atomowej na drugą. Częstotliwości takie są optyczne i ultrawysokie w porównaniu z konwencjonalnymi częstotliwościami mikrofalowymi. Podejście to stanowi rewolucyjny krok w rozwoju standardów czasu, a jego powstanie było możliwe dzięki postępom w technologiach laserów i optyce kwantowej. Optyczne zegary atomowe będą jeszcze dokładniejsze niż zegary atomowe oparte na cezie, które "tykają" z częstotliwością mikrofalową. W sieciowych optycznych zegarach atomowych zimne atomy są rozciągane w falę laserową o postaci fali stojącej (tzw. sieci optycznej). W takiej strukturze uwięzione są jednocześnie tysiące atomów. Dostrojenie światła lasera sieci do określonej "magicznej" długości fali pozwala zminimalizować wpływ światła na przejścia elektronowe. Oznacza to, że optyczne zegary atomowe mogą zapewnić bezprecedensową dokładność i stabilność. Dzięki unijnemu dofinansowaniu projektu SOC2 (Towards neutral-atom space optical clocks: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems) zespół badaczy opracował kluczowe komponenty i podsystemy wymagane do stworzenia ultraprecyzyjnych sieciowych zegarów optycznych na atomach obojętnych, które nadawałyby się do przenoszenia, a docelowo również do zastosowań kosmicznych. Prace były prowadzone z użyciem atomów iterbu (Yb) i strontu (Sr). Naukowcy z projektu SOC2 opracowali niezbędne podsystemy laserowe i zintegrowali je z podsystemami atomowymi dla Sr i Yb, wykonując kompletne systemy zegarowe. W ten sposób zbudowano między innymi modułowy sieciowy optyczny zegar atomowy. Dla zegara na bazie Sr stworzono kompaktowe i odporne podsystemy stabilizacji częstotliwości wykorzystujące wnęki optyczne, spowalniacz atomów z magnesami stałymi i bardzo małą komorę atomów. Atomy są dostarczane do komory przy pomocy małego pieca o niskim poborze mocy. Urządzenie wytwarza w sposób powtarzalny ultrazimne atomy Sr w temperaturze liczonej w mikrokelwinach w sieci optycznej. Właściwości zegara, takie jak systematyczne zmiany częstotliwości przejścia i niestabilności, scharakteryzowano dla bozonowego izotopu 88Sr, uzyskując bardzo dobre wyniki, dotyczące między innymi niestabilności częstotliwości na poziomie 1x10-16. W przypadku zegara na bazie Yb naukowcy opracowali z użyciem interferencji wąskopasmowej lasery diodowe o zewnętrznej wnęce, które powinny być stabilniejsze od typowych laserów stabilizowanych dyfrakcyjnie. Urządzenie jest w pełni sprawne. Działało ono automatycznie i stabilnie przez kilka godzin. Wstępną charakterystykę meteorologiczną przeprowadzono na Uniwersytecie w Düsseldorfie. Następnie urządzenie przetransportowano ciężarówką z Universität Düsseldorf do Włoskiego Instytutu Metrologii (INRiM) w Turynie, ponownie uruchomiono i przetransportowano z powrotem. Optyczne zegary atomowe opracowane w ramach projektu SOC2 służą za prototypy techniczne przyszłych zegarów przeznaczonych do prowadzenia eksperymentów kosmicznych, które umożliwią między innymi dokładniejsze badanie fundamentalnego aspektu ogólnej teorii względności Einsteina, jakim jest efekt wydłużania się czasu w polu grawitacyjnym. Zegar kosmiczny może też przydać się do dostarczania ultrastabilnych częstotliwości na Ziemię oraz do relatywistycznych badań geodezyjnych, będących nową metodą pomiaru potencjału grawitacyjnego Ziemi. ESA przygotowuje misję mającą umożliwić realizację takich właśnie badań, a naukowcy z projektu SOC2 aktywnie uczestniczą w tych pracach.
Słowa kluczowe
Zegary atomowe, zegary optyczne, lasery półprzewodnikowe, zimne atomy, technologia kwantowa, SOC2, przestrzeń kosmiczna, podstawowe badania fizyczne, geodezja
