Đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, cứ 300 triệu năm lại mắc sai số một giây. Chiếc đồng hồ này, đã thay thế một mẫu cũ có sai số một giây cứ sau một trăm triệu năm, hiện đặt ra tiêu chuẩn cho giờ dân sự của Mỹ. Lenta.ru quyết định nhớ lại lịch sử tạo ra đồng hồ nguyên tử.
Để tạo ra một chiếc đồng hồ, chỉ cần sử dụng bất kỳ quy trình định kỳ nào là đủ. Và lịch sử xuất hiện của các dụng cụ đo thời gian một phần là lịch sử của sự xuất hiện của các nguồn năng lượng mới hoặc hệ thống dao động mới được sử dụng trong đồng hồ. Đồng hồ đơn giản nhất có lẽ là đồng hồ mặt trời: để nó hoạt động, bạn chỉ cần Mặt trời và một vật thể tạo bóng. Những nhược điểm của phương pháp xác định thời gian này là rõ ràng. Nước và đồng hồ cát cũng không khá hơn: chúng chỉ thích hợp để đo những khoảng thời gian tương đối ngắn.
Chiếc đồng hồ cơ cổ nhất được tìm thấy vào năm 1901 gần đảo Antikythera trên một con tàu bị chìm ở biển Aegean. Chúng chứa khoảng 30 bánh răng bằng đồng trong một hộp gỗ có kích thước 33 x 18 x 10 cm và có niên đại khoảng năm thứ một trăm trước Công nguyên.
Trong gần hai nghìn năm, đồng hồ cơ là loại đồng hồ chính xác và đáng tin cậy nhất. Sự xuất hiện vào năm 1657 trong tác phẩm kinh điển “Đồng hồ quả lắc” của Christian Huygens (“Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demoes hình học”), mô tả một thiết bị đo thời gian với một con lắc là một hệ dao động, có lẽ là đỉnh điểm trong lịch sử phát triển của các dụng cụ cơ khí thuộc loại đó.
Tuy nhiên, các nhà thiên văn học và thủy thủ vẫn sử dụng bầu trời đầy sao và bản đồ để xác định vị trí và thời gian chính xác của họ. Đồng hồ điện đầu tiên được phát minh vào năm 1814 bởi Francis Ronalds. Tuy nhiên, thiết bị đầu tiên như vậy không chính xác do nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ.
Lịch sử xa hơn của đồng hồ gắn liền với việc sử dụng các hệ thống dao động khác nhau trong các thiết bị. Được giới thiệu vào năm 1927 bởi Phòng thí nghiệm Bell, đồng hồ thạch anh khai thác tính chất áp điện của tinh thể thạch anh: khi tiếp xúc với dòng điện tinh thể bắt đầu co lại. Đồng hồ bấm giờ thạch anh hiện đại có thể chính xác trong vòng 0,3 giây mỗi tháng. Tuy nhiên, vì thạch anh dễ bị lão hóa nên đồng hồ trở nên kém chính xác hơn theo thời gian.
Với sự phát triển của vật lý nguyên tử, các nhà khoa học đã đề xuất sử dụng các hạt vật chất làm hệ dao động. Đây là cách những chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên xuất hiện. Ý tưởng về khả năng sử dụng các dao động nguyên tử của hydro để đo thời gian đã được nhà vật lý người Anh Lord Kelvin đề xuất vào năm 1879, nhưng phải đến giữa thế kỷ 20, điều này mới trở thành hiện thực.
Tái tạo bức tranh của Hubert von Herkomer (1907)
Vào những năm 1930, nhà vật lý người Mỹ và người phát hiện ra cộng hưởng từ hạt nhân Isidor Rabi bắt đầu nghiên cứu đồng hồ nguyên tử bằng Caesium-133, nhưng chiến tranh bùng nổ đã ngăn cản ông. Sau chiến tranh, năm 1949, chiếc đồng hồ phân tử đầu tiên sử dụng phân tử amoniac được chế tạo tại Ủy ban Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ với sự tham gia của Harold Lyonson. Nhưng những dụng cụ đo thời gian đầu tiên như vậy không chính xác bằng đồng hồ nguyên tử hiện đại.
Độ chính xác tương đối thấp là do do sự tương tác của các phân tử amoniac với nhau và với thành của thùng chứa chất này, năng lượng của các phân tử thay đổi và các vạch quang phổ của chúng mở rộng. Hiệu ứng này rất giống với ma sát trong đồng hồ cơ.
Sau đó, vào năm 1955, Louis Essen thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh đã giới thiệu chiếc đồng hồ nguyên tử Caesium-133 đầu tiên. Đồng hồ này tích lũy sai số một giây trong hơn một triệu năm. Thiết bị này được đặt tên là NBS-1 và bắt đầu được coi là chuẩn tần số Caesium.
Sơ đồ nguyên lý của đồng hồ nguyên tử bao gồm một bộ dao động thạch anh được điều khiển bởi bộ phân biệt sử dụng mạch phản hồi. Bộ dao động tận dụng các đặc tính áp điện của thạch anh, trong khi bộ phân biệt sử dụng các dao động năng lượng của các nguyên tử để các dao động của thạch anh được theo dõi bằng các tín hiệu từ sự chuyển đổi từ các mức năng lượng khác nhau trong nguyên tử hoặc phân tử. Giữa máy phát và bộ phân biệt có một bộ bù được điều chỉnh theo tần số dao động nguyên tử và so sánh nó với tần số dao động của tinh thể.
Các nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ phải cung cấp những dao động ổn định. Ứng với mỗi tần số của bức xạ điện từ có các nguyên tử: canxi, strontium, rubidium, Caesium, hydro. Hoặc thậm chí các phân tử amoniac và iốt.
Với sự ra đời của các dụng cụ đo thời gian nguyên tử, người ta có thể sử dụng chúng làm tiêu chuẩn phổ quát để xác định giây. Từ năm 1884, Giờ Greenwich, được coi là tiêu chuẩn thế giới, đã nhường chỗ cho tiêu chuẩn đồng hồ nguyên tử. Năm 1967, theo quyết định của Đại hội đồng Trọng lượng và Đo lường lần thứ 12, một giây được định nghĩa là khoảng thời gian của 9192631770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử Caesium-133. Định nghĩa về giây này không phụ thuộc vào các thông số thiên văn và có thể được sao chép ở bất kỳ đâu trên hành tinh. Caesium-133, được sử dụng trong tiêu chuẩn đồng hồ nguyên tử, là chất duy nhất đồng vị ổn định Caesium với độ phong phú 100% trên Trái đất.
Đồng hồ nguyên tử cũng được sử dụng trong hệ thống định vị vệ tinh; chúng cần thiết để xác định chính xác thời gian và tọa độ vệ tinh. Do đó, mỗi vệ tinh GPS có bốn bộ đồng hồ như vậy: hai rubidium và hai xêzi, đảm bảo độ chính xác truyền tín hiệu là 50 nano giây. Các vệ tinh của hệ thống GLONASS của Nga cũng được trang bị các thiết bị đo thời gian nguyên tử Caesium và rubidium, và các vệ tinh của hệ thống định vị địa lý Galileo Châu Âu đang triển khai được trang bị các thiết bị hydro và rubidium.
Độ chính xác của đồng hồ hydro là cao nhất. Đó là 0,45 nano giây trong 12 giờ. Rõ ràng, việc Galileo sử dụng những chiếc đồng hồ chính xác như vậy sẽ khiến hệ thống định vị này trở thành hệ thống dẫn đầu vào năm 2015, khi sẽ có 18 vệ tinh của nó trên quỹ đạo.
Hewlett-Packard trở thành công ty đầu tiên phát triển đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn. Năm 1964, bà đã tạo ra thiết bị Caesium HP 5060A, có kích thước bằng một chiếc vali lớn. Công ty tiếp tục phát triển theo hướng này, nhưng vào năm 2005, họ đã bán bộ phận phát triển đồng hồ nguyên tử cho Symmetricom.
Năm 2011, các chuyên gia từ Phòng thí nghiệm Draper và Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia đã phát triển và Symmetricom cho ra đời chiếc đồng hồ nguyên tử thu nhỏ đầu tiên, Lượng tử. Vào thời điểm phát hành, chúng có giá khoảng 15 nghìn đô la, được đựng trong hộp kín có kích thước 40 x 35 x 11 mm và nặng 35 gram. Mức tiêu thụ điện năng của đồng hồ nhỏ hơn 120 miliwatt. Chúng ban đầu được phát triển theo lệnh của Lầu Năm Góc và nhằm mục đích phục vụ các hệ thống định vị hoạt động độc lập với hệ thống GPS, chẳng hạn như ở sâu dưới nước hoặc dưới lòng đất.
Vào cuối năm 2013, công ty Bathys Hawaii của Mỹ đã giới thiệu chiếc đồng hồ nguyên tử “đeo cổ tay” đầu tiên. Họ sử dụng chip SA.45s do Symmetricom sản xuất làm thành phần chính. Bên trong con chip có một viên nang chứa Caesium-133. Thiết kế của đồng hồ còn bao gồm các tế bào quang điện và tia laser năng lượng thấp. Loại thứ hai đảm bảo đốt nóng khí Caesium, do đó các nguyên tử của nó bắt đầu chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Việc đo thời gian được thực hiện một cách chính xác bằng cách ghi lại sự chuyển đổi như vậy. Giá của một thiết bị mới là khoảng 12 nghìn đô la.
Xu hướng thu nhỏ, tự chủ và chính xác sẽ dẫn đến một thực tế là trong tương lai gần các thiết bị mới sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ xuất hiện ở mọi lĩnh vực. cuộc sống con người, bắt đầu từ nghiên cứu không gian về các vệ tinh và trạm quay quanh quỹ đạo cho đến các ứng dụng trong gia đình trong hệ thống phòng và cổ tay.
MOSCOW, ngày 27 tháng 10 – RIA Novosti, Olga Kolentsova. Mấy giờ? Đạo diễn phim khoa học viễn tưởng Họ tin rằng đây là một loại chiều mà người ta có thể di chuyển qua đó. Trong thế giới thực, thời gian được xác định bởi vị trí của các vật thể trong không gian. Về mặt lý thuyết, nếu chúng ta có thể đưa mọi hạt trong Vũ trụ trở lại trạng thái và vị trí tại một thời điểm nhất định, thì chúng ta sẽ du hành ngược thời gian.
Vì vậy, hiện nay, kiến thức của chúng ta có thể xác định thời gian tùy thuộc vào những thay đổi cơ học xảy ra trên thế giới. Ví dụ: một vòng quay hoàn chỉnh của Trái đất quanh trục của nó xác định một ngày và xung quanh Mặt trời - một năm. Nhưng mọi người có nhu cầu chia ngày thành các phân đoạn nhỏ hơn và được xác định rõ ràng - giờ, phút, giây.
Để đếm những đơn vị này, người ta đã nghĩ ra những thiết bị đặc biệt - đồng hồ. Lịch sử của chúng kéo dài hàng thế kỷ và cùng với công nghệ, yêu cầu về độ chính xác của phép đo thời gian ngày càng tăng. Nếu trong cuộc sống hàng ngày chúng ta hòa hợp với máy móc và đồng hồ điện tử, thì khoa học đòi hỏi những dụng cụ chính xác hơn nhiều.
Cơ sở tính thời gian là một sự kiện lặp lại nhất định khi một vật thể trở về trạng thái ban đầu sau một khoảng thời gian được xác định chặt chẽ. Ví dụ, trong một chiếc đồng hồ cơ, các bánh răng quay (hoặc một con lắc lắc lư), và trong một chiếc đồng hồ cát sẽ có lúc tất cả các hạt cát rơi xuống đáy bình.
Tất nhiên, đồng hồ cơ và điện tử hiện đại có độ chính xác cao hơn nhiều so với những người tiền nhiệm của chúng - nước, cát và năng lượng mặt trời. Nhưng một số lĩnh vực còn yêu cầu cơ chế chính xác hơn. Và con người đã tạo ra một chiếc đồng hồ hoạt động dựa trên các quá trình xảy ra bên trong nguyên tử.
Như bạn đã biết, nguyên tử bao gồm hạt nhân và đám mây điện tử. Các electron nằm ở các mức năng lượng khác nhau. Electron càng ở xa hạt nhân thì càng có nhiều năng lượng. Hãy tưởng tượng một con chó bị trói vào một thanh thép bằng dây xích chắc chắn nhưng có thể co giãn. Càng muốn rời xa, cô ấy càng phải thắt chặt dây xích. Tất nhiên, một con chó to khỏe sẽ có khả năng di chuyển xa hơn một con chó nhỏ và yếu.
© Ảnh AP/Focke Strangmann
© Ảnh AP/Focke Strangmann
Khi chuyển xuống mức thấp hơn, electron phát ra năng lượng và khi chuyển lên mức cao hơn, nó sẽ hấp thụ năng lượng. Các electron "nhảy" có thể được điều khiển bằng bức xạ điện từ, một nguồn năng lượng. Bức xạ có tần số nhất định. Giá trị này là nghịch đảo của chu kỳ dao động, tức là thời gian cần thiết để một vật thực hiện các chuyển động “đóng” để trở về trạng thái ban đầu.
Đồng hồ nguyên tử sử dụng canxi, hydro, thulium, strontium, rubidium, thorium, iốt và metan, và thường xuyên nhất là Caesium. Các electron trong đồng hồ nguyên tử dựa trên Caesium-133 phát ra bức xạ điện từ với tần số 9.192.631.770 Hz. Chính số khoảng thời gian này mà một giây trong đồng hồ tự nhiên này được chia thành. Theo định nghĩa được chính thức thông qua vào năm 1967 tại Hội nghị chung về Cân nặng và Đo lường, nguyên tử Caesium-133 được công nhận là tiêu chuẩn để đo thời gian. Độ chính xác của giây xác định tính xác thực của các đơn vị đại lượng vật lý cơ bản khác, chẳng hạn như vôn hoặc watt, được xác định theo thời gian.
Một chiếc đồng hồ siêu chính xác hoạt động như thế này: Caesium-133 được làm nóng và một số nguyên tử rời khỏi chất chính, sau đó đi qua một từ trường, loại bỏ các nguyên tử có trạng thái năng lượng mong muốn. Các nguyên tử được chọn đi qua một từ trường có tần số gần bằng tần số của bức xạ điện từ khi một electron chuyển từ cấp này sang cấp khác trong Caesium-133. Dưới tác dụng của trường, các nguyên tử thay đổi trạng thái năng lượng và rơi vào máy dò, máy dò này ghi lại thời điểm đạt được trạng thái năng lượng mong muốn. số lớn nhất nguyên tử. Sau đó, giá trị tần số của trường điện từ được đưa vào bộ chia tần số, bộ chia tần số xác định đơn vị của nó bằng cách chia giây. Kết quả là một “giây mới”, được lấy làm tiêu chuẩn của đơn vị thời gian tối thiểu.
© Minh họa của RIA Novosti. Alina Polyanina
Lưu trữ bài viết Những “thợ đồng hồ” nào đã phát minh và hoàn thiện bộ máy cực kỳ chính xác này? Có người thay thế anh ấy không? Hãy cố gắng tìm ra nó.
Vào năm 2012, đồng hồ nguyên tử sẽ kỷ niệm 45 năm thành lập. Năm 1967, hạng mục thời gian trong Hệ thống quốc tế các đơn vị bắt đầu được xác định không phải bằng thang đo thiên văn mà bằng tiêu chuẩn tần số Caesium. Đây là cái mà người dân thường gọi là đồng hồ nguyên tử.
Nguyên lý hoạt động của máy dao động nguyên tử là gì? Những “thiết bị” này sử dụng mức năng lượng lượng tử của nguyên tử hoặc phân tử làm nguồn tần số cộng hưởng. Cơ lượng tử kết nối với hệ thống hạt nhân nguyên tử- electron" một số mức năng lượng riêng biệt. Một trường điện từ có tần số nhất định có thể kích thích sự chuyển đổi của hệ thống này từ mức thấp sang mức cao hơn. Điều đó cũng có thể xảy ra hiện tượng ngược lại: Một nguyên tử có thể chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn bằng cách phát ra năng lượng. Cả hai hiện tượng đều có thể được kiểm soát và những bước nhảy giữa các mức năng lượng này có thể được ghi lại, từ đó tạo ra một dạng mạch dao động. Tần số cộng hưởng của mạch này sẽ bằng độ chênh lệch năng lượng giữa hai mức chuyển tiếp chia cho hằng số Planck.
Bộ dao động nguyên tử thu được có những ưu điểm chắc chắn so với các bộ dao động cơ học và thiên văn trước đó của nó. Tần số cộng hưởng của tất cả các nguyên tử của chất được chọn làm bộ dao động sẽ giống nhau, không giống như con lắc và tinh thể áp điện. Ngoài ra, các nguyên tử không bị hao mòn hoặc thay đổi tính chất theo thời gian. Lý tưởng cho một chiếc đồng hồ bấm giờ gần như vĩnh cửu và cực kỳ chính xác.
Lần đầu tiên, khả năng sử dụng sự chuyển đổi năng lượng giữa các mức trong nguyên tử làm chuẩn tần số đã được xem xét vào năm 1879 bởi nhà vật lý người Anh William Thomson, hay được biết đến với cái tên Lord Kelvin. Ông đề xuất sử dụng hydro làm nguồn nguyên tử cộng hưởng. Tuy nhiên, nghiên cứu của ông mang tính chất lý thuyết khá nhiều. Khoa học lúc đó vẫn chưa sẵn sàng để phát triển đồng hồ đo thời gian nguyên tử.
Phải mất gần một trăm năm ý tưởng của Lord Kelvin mới thành hiện thực. Đó là một thời gian dài, nhưng nhiệm vụ không hề dễ dàng. Việc biến đổi các nguyên tử thành các con lắc lý tưởng hóa ra trong thực tế lại khó hơn trên lý thuyết. Khó khăn nằm ở cuộc chiến với cái gọi là độ rộng cộng hưởng - một dao động nhỏ trong tần số hấp thụ và phát xạ năng lượng khi các nguyên tử chuyển từ cấp này sang cấp khác. Tỷ lệ tần số cộng hưởng với độ rộng cộng hưởng quyết định chất lượng của bộ dao động nguyên tử. Rõ ràng, giá trị của độ rộng cộng hưởng càng lớn thì chất lượng của con lắc nguyên tử càng thấp. Thật không may, không thể tăng tần số cộng hưởng để cải thiện chất lượng. Nó không đổi đối với các nguyên tử của từng chất cụ thể. Nhưng độ rộng cộng hưởng có thể giảm đi bằng cách tăng thời gian quan sát các nguyên tử.
Về mặt kỹ thuật, điều này có thể đạt được như sau: để một bộ dao động bên ngoài, ví dụ như thạch anh, tạo ra bức xạ điện từ định kỳ, làm cho các nguyên tử của chất cho nhảy qua các mức năng lượng. Trong trường hợp này, nhiệm vụ của bộ điều chỉnh đồng hồ bấm giờ nguyên tử là đưa tần số của bộ dao động thạch anh này càng gần với tần số cộng hưởng của sự chuyển đổi giữa các nguyên tử càng tốt. Điều này trở nên khả thi trong trường hợp quan sát được các dao động nguyên tử trong một khoảng thời gian đủ dài và tạo ra phản hồi điều chỉnh tần số của thạch anh.
Đúng vậy, ngoài vấn đề giảm độ rộng cộng hưởng trong đồng hồ bấm giờ nguyên tử, còn có rất nhiều vấn đề khác. Đây là hiệu ứng Doppler - sự thay đổi tần số cộng hưởng do sự chuyển động của các nguyên tử và sự va chạm lẫn nhau của các nguyên tử, gây ra sự chuyển đổi năng lượng không có kế hoạch và thậm chí là ảnh hưởng của năng lượng lan tỏa của vật chất tối.
Nỗ lực đầu tiên trong việc triển khai thực tế đồng hồ nguyên tử được thực hiện vào những năm ba mươi của thế kỷ trước bởi các nhà khoa học tại Đại học Columbia dưới sự lãnh đạo của tương lai. người đoạt giải Nobel Tiến sĩ Isidor Rabi. Rabi đề xuất sử dụng đồng vị Caesium 133 Cs làm nguồn nguyên tử con lắc. Thật không may, công việc của Rabi, vốn được NBS rất quan tâm, đã bị gián đoạn bởi Thế chiến thứ hai.
Sau khi hoàn thành, việc chỉ đạo thực hiện đồng hồ bấm giờ nguyên tử được chuyển cho nhân viên NBS Harold Lyons. Máy tạo dao động nguyên tử của ông hoạt động với amoniac và đưa ra một sai số tương ứng với những ví dụ tốt nhất bộ cộng hưởng thạch anh. Năm 1949, đồng hồ nguyên tử amoniac được giới thiệu tới công chúng. Mặc dù có độ chính xác khá tầm thường, nhưng chúng vẫn thực hiện các nguyên tắc cơ bản của các thế hệ đồng hồ bấm giờ nguyên tử trong tương lai.
Nguyên mẫu đồng hồ nguyên tử caesium mà Louis Essen thu được cung cấp độ chính xác 1 * 10 -9, trong khi có độ rộng cộng hưởng chỉ 340 Hertz
Một lát sau, giáo sư Norman Ramsey của Đại học Harvard đã cải tiến ý tưởng của Isidor Rabi, giảm tác động của hiệu ứng Doppler đến độ chính xác của phép đo. Ông đề xuất, thay vì sử dụng một nguyên tử kích thích xung tần số cao dài, hãy sử dụng hai nguyên tử ngắn được gửi đến các nhánh của ống dẫn sóng ở một khoảng cách nào đó với nhau. Điều này giúp có thể giảm mạnh độ rộng cộng hưởng và thực sự có thể tạo ra các bộ dao động nguyên tử có độ chính xác vượt trội so với tổ tiên thạch anh của chúng.
Vào những năm 50 của thế kỷ trước, dựa trên sơ đồ do Norman Ramsey đề xuất, tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia (Anh), nhân viên Louis Essen của nó đã chế tạo một máy dao động nguyên tử dựa trên đồng vị Caesium 133 Cs do Rabi đề xuất trước đó. Caesium không được chọn ngẫu nhiên.
Sơ đồ mức độ chuyển tiếp siêu mịn của các nguyên tử của đồng vị Caesium-133
Thuộc nhóm kim loại kiềm, nguyên tử Caesium cực kỳ dễ bị kích thích để nhảy giữa các mức năng lượng. Ví dụ, một chùm ánh sáng có thể dễ dàng đánh bật dòng electron ra khỏi cấu trúc nguyên tử Caesium. Chính vì đặc tính này mà Caesium được sử dụng rộng rãi trong các bộ tách sóng quang.
Thiết kế bộ tạo dao động Caesium cổ điển dựa trên ống dẫn sóng Ramsey
Tiêu chuẩn tần số Caesium chính thức đầu tiên NBS-1
Hậu duệ của NBS-1 - bộ dao động NIST-7 sử dụng bơm laser của chùm nguyên tử Caesium
Phải mất hơn 4 năm, nguyên mẫu Essen mới trở thành tiêu chuẩn thực sự. Rốt cuộc, việc điều chỉnh chính xác đồng hồ nguyên tử chỉ có thể thực hiện được bằng cách so sánh với các đơn vị thời gian phù du hiện có. Trong suốt bốn năm, bộ dao động nguyên tử đã được hiệu chỉnh bằng cách quan sát chuyển động quay của Mặt trăng quanh Trái đất bằng máy ảnh mặt trăng chính xác do William Markowitz của Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ phát minh.
Việc "điều chỉnh" đồng hồ nguyên tử theo lịch thiên văn mặt trăng được thực hiện từ năm 1955 đến năm 1958, sau đó thiết bị này được NBS chính thức công nhận là chuẩn tần số. Hơn nữa, độ chính xác chưa từng có của đồng hồ nguyên tử caesium đã thúc đẩy NBS thay đổi đơn vị thời gian trong tiêu chuẩn SI. Kể từ năm 1958, giây đã được chính thức công nhận là “khoảng thời gian của 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái tiêu chuẩn của một nguyên tử đồng vị Caesium-133”.
Thiết bị của Louis Essen được đặt tên là NBS-1 và được coi là chuẩn tần số Caesium đầu tiên.
Trong ba mươi năm tiếp theo, sáu sửa đổi của NBS-1 đã được phát triển, trong đó mới nhất là NIST-7, được tạo ra vào năm 1993 bằng cách thay thế nam châm bằng bẫy laser, mang lại độ chính xác 5 * 10 -15 với chiều rộng cộng hưởng chỉ 60 -hai Hertz.
| Tiêu chuẩn tần số Caesium | Thời gian hoạt động | Thời gian phục vụ như một tiêu chuẩn NPFS chính thức | Độ rộng cộng hưởng | Chiều dài ống dẫn sóng vi sóng | Giá trị lỗi |
| NBS-1 | 1952-1962 | 1959-1960 | 300 Hz | 55 cm | 1*10 -11 |
| NBS-2 | 1959-1965 | 1960-1963 | 110Hz | 164cm | 8*10 -12 |
| NBS-3 | 1959-1970 | 1963-1970 | 48Hz | 366 cm | 5*10 -13 |
| NBS-4 | Những năm 1965-1990 | KHÔNG | 130Hz | 52,4 cm | 3*10 -13 |
| NBS-5 | 1966-1974 | 1972-1974 | 45Hz | 374 cm | 2*10 -13 |
| NBS-6 | 1974-1993 | 1975-1993 | 26 Hz | 374 cm | 8*10 -14 |
| NBS-7 | 1988-2001 | 1993-1998 | 62Hz | 155 cm | 5*10 -15 |
Các thiết bị NBS là các giá đỡ cố định, cho phép chúng được phân loại thành các bộ dao động tiêu chuẩn thay vì các bộ dao động được sử dụng trong thực tế. Nhưng chỉ vì những mục đích thực tế thuần tuý, Hewlett-Packard đã làm việc vì lợi ích của chuẩn tần số caesium. Năm 1964, gã khổng lồ máy tính tương lai đã tạo ra một phiên bản nhỏ gọn của chuẩn tần số Caesium - thiết bị HP 5060A.
Được hiệu chỉnh bằng tiêu chuẩn NBS, tiêu chuẩn tần số HP 5060 phù hợp với giá đỡ thiết bị vô tuyến thông thường và đã thành công về mặt thương mại. Chính nhờ tiêu chuẩn tần số caesium do Hewlett-Packard đặt ra mà độ chính xác chưa từng có của đồng hồ nguyên tử đã trở nên phổ biến.
Hewlett-Packard 5060A.
Kết quả là, những thứ như truyền hình vệ tinh và thông tin liên lạc, hệ thống định vị toàn cầu và dịch vụ đồng bộ hóa thời gian của mạng thông tin. Đã có nhiều ứng dụng cho công nghệ đồng hồ bấm giờ nguyên tử được công nghiệp hóa. Đồng thời, Hewlett-Packard không dừng lại ở đó và không ngừng nâng cao chất lượng của tiêu chuẩn Caesium cũng như trọng lượng và kích thước của chúng.
Dòng đồng hồ nguyên tử Hewlett-Packard
Năm 2005, bộ phận đồng hồ nguyên tử của Hewlett-Packard được bán cho Simmetricom.
Cùng với Caesium, nguồn dự trữ trong tự nhiên rất hạn chế và nhu cầu về nó trong nhiều lĩnh vực công nghệ là cực kỳ cao, rubidium, có đặc tính rất gần với Caesium, đã được sử dụng làm chất cho.
Có vẻ như sơ đồ đồng hồ nguyên tử hiện có đã được hoàn thiện. Trong khi đó, nó có một nhược điểm khó chịu, việc loại bỏ nhược điểm này đã có thể thực hiện được ở thế hệ tiêu chuẩn tần số Caesium thứ hai, được gọi là đài phun Caesium.
Mặc dù máy đo thời gian nguyên tử NIST-7 có độ chính xác cao nhất, sử dụng khả năng dò tìm bằng laser về trạng thái của các nguyên tử Caesium, thiết kế của nó về cơ bản không khác biệt so với thiết kế của các phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn tần số Caesium.
MỘT lỗ hổng thiết kế Tất cả các phương án này đều ở chỗ về cơ bản là không thể kiểm soát được tốc độ truyền của chùm nguyên tử Caesium chuyển động trong ống dẫn sóng. Và điều này bất chấp thực tế là tốc độ chuyển động của các nguyên tử Caesium ở nhiệt độ phòng là một trăm mét mỗi giây. Rất nhanh.
Đó là lý do tại sao mọi sửa đổi của tiêu chuẩn Caesium đều là tìm kiếm sự cân bằng giữa kích thước của ống dẫn sóng, có thời gian tác động lên các nguyên tử Caesium nhanh ở hai điểm, và độ chính xác của việc phát hiện kết quả của ảnh hưởng này. Ống dẫn sóng càng nhỏ thì càng khó tạo ra các xung điện từ liên tiếp tác động lên cùng một nguyên tử.
Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta tìm ra cách giảm tốc độ của nguyên tử Caesium? Chính ý tưởng này đã khiến sinh viên MIT Jerold Zacharius bận tâm, người đã nghiên cứu ảnh hưởng của lực hấp dẫn đến hành vi của các nguyên tử vào cuối những năm bốn mươi của thế kỷ trước. Sau đó, tham gia vào việc phát triển một biến thể của tiêu chuẩn tần số Caesium Atomichron, Zacharius đề xuất ý tưởng về đài phun caesium - một phương pháp giảm tốc độ của các nguyên tử caesium xuống còn một centimet mỗi giây và loại bỏ ống dẫn sóng hai nhánh của các máy dao động nguyên tử truyền thống.
Ý tưởng của Zacharius rất đơn giản. Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn bắn các nguyên tử Caesium theo chiều dọc bên trong một bộ dao động? Sau đó, các nguyên tử giống nhau sẽ đi qua máy dò hai lần: một lần khi di chuyển lên và một lần nữa đi xuống, nơi chúng sẽ lao tới dưới tác dụng của trọng lực. Trong trường hợp này, chuyển động đi xuống của các nguyên tử sẽ chậm hơn đáng kể so với quá trình cất cánh của chúng, vì trong quá trình di chuyển trong đài phun nước, chúng sẽ mất năng lượng. Thật không may, vào những năm 50 của thế kỷ trước, Zacharius đã không thể hiện thực hóa ý tưởng của mình. Trong thiết lập thí nghiệm của ông, các nguyên tử chuyển động hướng lên trên tương tác với những nguyên tử rơi xuống, làm nhầm lẫn độ chính xác của việc phát hiện.
Ý tưởng về Zacharius chỉ được quay trở lại vào những năm tám mươi. Các nhà khoa học tại Đại học Stanford, do Steven Chu đứng đầu, đã tìm ra cách tạo ra Đài phun nước Zacharius bằng phương pháp mà họ gọi là "mật đường quang học".
Trong đài phun nước Chu xêzi, một đám mây nguyên tử xêzi bắn lên trên được làm lạnh trước bằng hệ thống gồm ba cặp tia laser ngược hướng có tần số cộng hưởng ngay dưới mức cộng hưởng quang học của các nguyên tử xêzi.
Sơ đồ đài phun nước Caesium với mật đường quang học.
Các nguyên tử caesium được làm lạnh bằng laser bắt đầu chuyển động chậm rãi, như thể đang di chuyển qua mật đường. Tốc độ của họ giảm xuống còn ba mét mỗi giây. Việc giảm tốc độ của các nguyên tử mang lại cho các nhà nghiên cứu cơ hội phát hiện các trạng thái chính xác hơn (bạn phải thừa nhận rằng việc nhìn thấy biển số xe ô tô đang di chuyển với tốc độ một km một giờ sẽ dễ dàng hơn nhiều so với một chiếc ô tô đang di chuyển với tốc độ một trăm km một giờ). ki lô mét mỗi giờ).
Một quả cầu gồm các nguyên tử Caesium đã nguội được phóng lên cao khoảng một mét, đi qua một ống dẫn sóng trên đường đi, qua đó các nguyên tử tiếp xúc với một trường điện từ có tần số cộng hưởng. Và máy dò của hệ thống lần đầu tiên ghi lại sự thay đổi trạng thái của các nguyên tử. Sau khi chạm tới “trần nhà”, các nguyên tử được làm lạnh bắt đầu rơi xuống do trọng lực và đi qua ống dẫn sóng lần thứ hai. Trên đường trở về, máy dò lại ghi lại tình trạng của họ. Vì các nguyên tử chuyển động cực kỳ chậm nên việc bay của chúng dưới dạng đám mây khá dày đặc rất dễ kiểm soát, điều đó có nghĩa là trong đài phun nước sẽ không có các nguyên tử bay lên xuống cùng lúc.
Cơ sở đài phun nước Caesium của Chu đã được NBS áp dụng làm tiêu chuẩn tần số vào năm 1998 và được đặt tên là NIST-F1. Sai số của nó là 4 * 10 -16, có nghĩa là NIST-F1 chính xác hơn NIST-7 tiền nhiệm.
Trên thực tế, NIST-F1 đã đạt đến giới hạn độ chính xác trong việc đo trạng thái của các nguyên tử Caesium. Nhưng các nhà khoa học không dừng lại ở chiến thắng này. Họ quyết định loại bỏ lỗi mà bức xạ vật đen gây ra trong hoạt động của đồng hồ nguyên tử - kết quả của sự tương tác của các nguyên tử Caesium với bức xạ nhiệt của thân hệ thống mà chúng chuyển động. Đồng hồ bấm giờ nguyên tử NIST-F2 mới đặt một đài phun caesium trong buồng đông lạnh, làm giảm bức xạ của vật đen xuống gần như bằng không. Lỗi NIST-F2 là 3*10 -17 đáng kinh ngạc.
Biểu đồ giảm lỗi của các tùy chọn tiêu chuẩn tần số Caesium
Hiện nay, đồng hồ nguyên tử dựa trên đài phun caesium cung cấp cho nhân loại tiêu chuẩn thời gian chính xác nhất, tương ứng với nhịp đập của nền văn minh công nghệ của chúng ta. Nhờ các thủ thuật kỹ thuật, các maser hydro xung làm mát các nguyên tử caesium trong các phiên bản cố định của NIST-F1 và NIST-F2 đã được thay thế bằng chùm tia laser thông thường hoạt động song song với hệ thống quang từ. Điều này giúp tạo ra các cấu trúc nhỏ gọn và rất ổn định. ảnh hưởng bên ngoài các biến thể của tiêu chuẩn NIST-Fx có thể hoạt động trong tàu vũ trụ. Được gọi một cách khá tưởng tượng là "Đồng hồ nguyên tử lạnh hàng không vũ trụ", các tiêu chuẩn tần số này được cài đặt trong các vệ tinh của các hệ thống định vị như GPS, đảm bảo khả năng đồng bộ hóa đáng kinh ngạc của chúng để giải quyết vấn đề rất quan trọng. tính toán chính xác tọa độ của máy thu GPS được sử dụng trong các tiện ích của chúng tôi.
Một phiên bản nhỏ gọn của đồng hồ nguyên tử đài phun caesium, được gọi là "Đồng hồ nguyên tử lạnh hàng không vũ trụ", được sử dụng trong các vệ tinh GPS
Việc tính toán tham chiếu thời gian được thực hiện bởi một "tập hợp" gồm mười NIST-F2 đặt tại các trung tâm nghiên cứu khác nhau hợp tác với NBS. Giá trị chính xác của giây nguyên tử được thu thập chung, từ đó loại bỏ các sai sót khác nhau và ảnh hưởng của yếu tố con người.
Tuy nhiên, có thể một ngày nào đó chuẩn tần số Caesium sẽ được con cháu chúng ta coi là một cơ chế rất thô sơ để đo thời gian, giống như ngày nay chúng ta nhìn một cách trịch thượng vào chuyển động của con lắc trong những chiếc đồng hồ cơ khí của tổ tiên chúng ta.
Đây là những thiết bị đo thời gian, nguyên lý hoạt động dựa trên vật lý nguyên tử. Do đặc tính của các nguyên tố hóa học được sử dụng trong thiết kế nên sai số của những chiếc đồng hồ này là rất nhỏ. Ví dụ: các thiết bị dựa trên thorium-229 sẽ bị trễ một phần mười giây trong khoảng 14 tỷ năm.
Nếu ở đồng hồ thạch anh Tần số tham chiếu để xác định giây là số lần dao động của tinh thể thạch anh, sau đó trong nguyên tử, nó được coi là tần số chuyển tiếp của các electron trong nguyên tử của một số nguyên tố hóa học từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác.
1 - Linh kiện điện tử (chip)
2 - Nguồn hạt nhân
3 - Bộ tách sóng quang
4 - Bộ sưởi trên
5 - Tế bào cộng hưởng
6 - Tấm sóng
7 – Lò sưởi đáy
8 - Laser phát dọc
Đây là vấn đề: nguyên tử có electron. Họ có năng lượng. Khi hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng, các electron chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, hấp thụ hoặc phát ra sóng điện từ, tần số luôn bằng nhau. Hiện tượng này có thể được kiểm soát: khi một nguyên tử tiếp xúc với bức xạ vi sóng, nó sẽ phản ứng bằng một số dao động nhất định.
Thuộc tính này được sử dụng để cải thiện độ chính xác của phép đo thời gian. Như vậy, người ta nhận thấy rằng một giây là khoảng thời gian của 9192631770 chu kỳ bức xạ. Tần số này tương ứng với sự chuyển tiếp giữa hai mức năng lượng của nguyên tử Caesium-133. Bằng cách so sánh tần số dao động của bộ dao động thạch anh với tần số chuyển tiếp của các nguyên tử của nguyên tố, những sai lệch nhỏ nhất sẽ được ghi lại. Nếu có sai lệch, độ rung thạch anh sẽ được điều chỉnh.
Caesium không phải là vật liệu duy nhất được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử. Các thiết bị dựa trên các nguyên tố hóa học đang xuất hiện có thể mang lại độ chính xác cao hơn nữa: ytterbium, thorium-229, strontium.
Tần số dao động nguyên tố hóa học giống nhau và điều này giảm thiểu khả năng xảy ra lỗi. Ngoài ra, không giống như tinh thể thạch anh, các nguyên tử không bị hao mòn hoặc mất đi Tính chất hóa học theo thời gian.
Tên gọi khác của đồng hồ nguyên tử: lượng tử, phân tử.
Đồng hồ nguyên tử là dụng cụ đo thời gian chính xác nhất hiện nay và đang ngày càng trở nên phổ biến. Giá trị cao hơn với sự phát triển và phức tạp công nghệ hiện đại.
Đồng hồ nguyên tử không giữ được thời gian chính xác do phân rã phóng xạ, như tên gọi của chúng có thể gợi ý, nhưng sử dụng dao động của hạt nhân và các electron xung quanh chúng. Tần số của chúng được xác định bởi khối lượng của hạt nhân, trọng lực và “bộ cân bằng” tĩnh điện giữa hạt nhân tích điện dương và các electron. Điều này không hoàn toàn tương ứng với chuyển động của đồng hồ thông thường. Đồng hồ nguyên tử là máy đo thời gian đáng tin cậy hơn vì dao động của chúng không thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố đó môi trường, chẳng hạn như độ ẩm, nhiệt độ hoặc áp suất.
Qua nhiều năm, các nhà khoa học đã nhận ra rằng các nguyên tử có tần số cộng hưởng liên quan đến khả năng hấp thụ và phát ra bức xạ điện từ của mỗi nguyên tử. Trong những năm 1930 và 1940, thiết bị radar và thông tin liên lạc tần số cao đã được phát triển có thể giao tiếp với tần số cộng hưởng của các nguyên tử và phân tử. Điều này góp phần hình thành ý tưởng về một chiếc đồng hồ.
Những mẫu đầu tiên được xây dựng vào năm 1949 bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST). Amoniac được sử dụng làm nguồn rung. Tuy nhiên, chúng không chính xác hơn nhiều so với chuẩn thời gian hiện có và xêzi đã được sử dụng ở thế hệ tiếp theo.
Sự thay đổi về độ chính xác của phép đo thời gian lớn đến mức vào năm 1967, Hội nghị chung về Trọng lượng và Đo lường đã định nghĩa giây SI là 9.192.631.770 dao động của một nguyên tử Caesium ở tần số cộng hưởng của nó. Điều này có nghĩa là thời gian không còn liên quan đến chuyển động của Trái đất nữa. Đồng hồ nguyên tử ổn định nhất thế giới được tạo ra vào năm 1968 và được sử dụng như một phần của hệ thống chấm công NIST cho đến những năm 1990.
Một trong Những thành tựu mới nhất trong lĩnh vực này là làm mát bằng laser. Điều này đã cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm và giảm độ không chắc chắn trong tín hiệu đồng hồ. Việc chứa hệ thống làm mát này và các thiết bị khác dùng để cải thiện đồng hồ Caesium sẽ cần không gian có kích thước bằng một toa xe lửa, mặc dù các phiên bản thương mại có thể nhét vừa trong vali. Một trong những cơ sở lắp đặt trong phòng thí nghiệm này lưu giữ thời gian ở Boulder, Colorado và là chiếc đồng hồ chính xác nhất trên Trái đất. Chúng chỉ sai 2 nano giây mỗi ngày, hay 1 giây trong 1,4 triệu năm.
Độ chính xác to lớn này là kết quả của quá trình phức tạp Quy trình công nghệ. Đầu tiên, xêzi lỏng được cho vào lò nung và đun nóng cho đến khi chuyển thành thể khí. Nguyên tử kim loại trên tốc độ cao thoát ra qua một lỗ nhỏ trên lò. Nam châm điện khiến chúng phân tách thành các chùm riêng biệt có năng lượng khác nhau. Chùm tia cần thiết đi qua một lỗ hình chữ U và các nguyên tử được chiếu xạ bằng năng lượng vi sóng với tần số 9.192.631.770 Hz. Nhờ đó, chúng phấn khích và chuyển sang trạng thái năng lượng khác. Từ trường sau đó lọc ra các trạng thái năng lượng khác của nguyên tử.
Máy dò phản ứng với Caesium và hiển thị mức tối đa ở giá trị tần số chính xác. Điều này là cần thiết để cấu hình bộ dao động thạch anh điều khiển cơ chế đồng hồ. Chia tần số của nó cho 9.192.631.770 sẽ có một xung mỗi giây.
Mặc dù đồng hồ nguyên tử phổ biến nhất sử dụng các đặc tính của Caesium nhưng vẫn có những loại khác. Chúng khác nhau về nguyên tố được sử dụng và phương tiện xác định sự thay đổi mức năng lượng. Các vật liệu khác là hydro và rubidium. Đồng hồ nguyên tử hydro hoạt động tương tự như đồng hồ caesium, nhưng yêu cầu một thùng chứa có thành làm bằng vật liệu đặc biệt giúp ngăn các nguyên tử mất năng lượng quá nhanh. Đồng hồ Rubidium là loại đơn giản và nhỏ gọn nhất. Trong đó, một tế bào thủy tinh chứa đầy khí rubidium làm thay đổi khả năng hấp thụ ánh sáng khi tiếp xúc với tần số siêu cao.
Ngày nay, thời gian có thể được đo với độ chính xác cực cao, nhưng tại sao điều này lại quan trọng? Điều này là cần thiết trong các hệ thống như Điện thoại cầm tay, Internet, GPS, các chương trình hàng không và truyền hình kỹ thuật số. Thoạt nhìn điều này không rõ ràng.
Một ví dụ về cách sử dụng thời gian chính xác trong đồng bộ hóa gói. Hàng ngàn cuộc gọi điện thoại đi qua đường dây liên lạc trung bình. Điều này chỉ có thể thực hiện được vì cuộc trò chuyện không được truyền tải hoàn toàn. Công ty viễn thông chia nó thành các gói nhỏ và thậm chí bỏ qua một số thông tin. Sau đó, chúng đi qua đường dây cùng với các gói hội thoại khác và được khôi phục ở đầu bên kia mà không bị trộn lẫn. Hệ thống tính giờ của tổng đài điện thoại có thể xác định gói nào thuộc về một cuộc hội thoại nhất định vào thời điểm chính xác thông tin được gửi.
Một ứng dụng khác của thời gian chính xác là hệ thống định vị toàn cầu. Nó bao gồm 24 vệ tinh truyền tọa độ và thời gian của chúng. Bất kỳ máy thu GPS nào cũng có thể kết nối với chúng và so sánh thời gian phát sóng. Sự khác biệt cho phép người dùng xác định vị trí của họ. Nếu những đồng hồ này không chính xác lắm thì hệ thống GPS sẽ không thực tế và không đáng tin cậy.
Với sự phát triển của công nghệ và đồng hồ nguyên tử, sự thiếu chính xác của Vũ trụ trở nên đáng chú ý. Trái đất chuyển động không đều, gây nên sự biến đổi ngẫu nhiên về độ dài của năm và ngày. Trước đây, những thay đổi này không được chú ý vì các công cụ đo thời gian quá thiếu chính xác. Tuy nhiên, trước sự thất vọng của các nhà nghiên cứu và nhà khoa học, thời gian của đồng hồ nguyên tử phải được điều chỉnh để bù đắp cho những dị thường thế giới thực. Chúng là những công cụ tuyệt vời giúp thúc đẩy công nghệ hiện đại, nhưng sự xuất sắc của chúng bị hạn chế bởi những giới hạn do chính tự nhiên đặt ra.
