NIST ytterbium atoomklokken vestigden record voor stabiliteit

NIST ytterbium atoomklokken vestigden record voor stabiliteit

Anonim

door National Institute of Standards and Technology

Image

Een paar experimentele atoomklokken op basis van ytterbiumatomen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een nieuw record gevestigd voor stabiliteit. De klokken fungeren als 21ste-eeuwse pendels of metronomen die met perfecte timing heen en weer konden schommelen voor een periode vergelijkbaar met de leeftijd van het universum.

NIST-natuurkundigen rapporteren in Science Express op 22 augustus dat de teek van de ytterbiumklokken stabieler is dan elke andere atoomklok. Stabiliteit kan worden gezien als hoe precies de duur van elke teek overeenkomt met elke andere teek. De ytterbium-kloktikken zijn stabiel tot op minder dan twee delen in 1 quintiljoen (1 gevolgd door 18 nullen), ongeveer 10 keer beter dan de vorige best gepubliceerde resultaten voor andere atoomklokken.

Deze dramatische doorbraak heeft het potentieel voor aanzienlijke effecten, niet alleen op de tijdregistratie, maar ook op een breed scala van sensoren die hoeveelheden meten die kleine effecten hebben op de tikkende snelheid van atoomklokken, inclusief zwaartekracht, magnetische velden en temperatuur. En het is een belangrijke stap in de evolutie van atoomklokken van de volgende generatie die wereldwijd worden ontwikkeld, onder meer bij NIST en bij JILA, het gezamenlijke onderzoeksinstituut van NIST en de Universiteit van Colorado Boulder.

"De stabiliteit van de ytterbium-roosterklokken opent de deur naar een aantal opwindende praktische toepassingen van hoogwaardige tijdwaarneming", zegt NIST-fysicus en co-auteur Andrew Ludlow.

Elk van de ytterbiumklokken van NIST vertrouwt op ongeveer 10.000 zeldzame aardatomen gekoeld tot 10 microkelvin (10 miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt) en gevangen in een optisch rooster - een reeks pannenkoekvormige putten gemaakt van laserlicht. Een andere laser die 518 biljoen keer per seconde "tikt" veroorzaakt een overgang tussen twee energieniveaus in de atomen. Het grote aantal atomen is de sleutel tot de hoge stabiliteit van de klokken.

Image

De tikken van een atoomklok moeten gedurende een bepaalde periode worden gemiddeld om de beste resultaten te geven. Een belangrijk voordeel van de zeer hoge stabiliteit van de ytterbiumklokken is dat nauwkeurige resultaten zeer snel kunnen worden bereikt. Bijvoorbeeld, de huidige Amerikaanse civiele tijdstandaard, de NIST-F1 cesium fonteinklok, moet gemiddeld ongeveer 400.000 seconden (ongeveer vijf dagen) worden genomen om de beste prestaties te bereiken. De nieuwe ytterbiumklokken bereiken hetzelfde resultaat in ongeveer een seconde gemiddelde tijd.

Gezien dit hoge niveau van stabiliteit kunnen de ytterbiumklokken extreem snel metingen uitvoeren - in veel gevallen in realtime - wat belangrijk kan zijn in snel veranderende applicatie-instellingen, zoals de fabrieksvloer en de natuurlijke omgeving.

Een belangrijke vooruitgang die de mijlpaalprestaties van de ytterbiumklokken mogelijk maakte, was de recente constructie van een tweede versie van de klok om de prestaties van het origineel te meten en te verbeteren, ontwikkeld sinds 2003. Onderweg hebben NIST-wetenschappers verschillende verbeteringen aangebracht aan beide klokken, inclusief de ontwikkeling van een ultra-low-noise laser die wordt gebruikt om de atomen te exciteren, en de ontdekking van een methode om verstorende effecten veroorzaakt door botsingen tussen atomen te annuleren.

Het stabiliteitsrecord van de ytterbiumklokken verschilt van de prestatieniveaus die eerder werden gepubliceerd voor NIST-F1, die herleidbaar is naar het internationale systeem van eenheden, en NIST experimentele optische klokken op basis van afzonderlijke ionen, zoals de aluminium quantum logic klok of het kwikion klok. NIST-F1 en de ionenklokken werden geëvalueerd op basis van systematische onzekerheid, een andere belangrijke metriek voor standaard atoomklokken. De prestaties van NIST-F1 worden beschreven in termen van nauwkeurigheid, die verwijst naar hoe nauwkeurig de klok de bekende frequentie van het cesiumatoom of de natuurlijke trillingssnelheid realiseert. Nauwkeurigheid is cruciaal voor tijdmetingen die moeten worden herleid tot een primaire standaard.