ساعت چشمه اتمی جدید به گروه نخبه می پیوندد که جهان را به موقع نگه می دارد

ساعتهای روی زمین به لطف NIST-F4 ، یک ساعت اتمی جدید در پردیس ملی استاندارد و فناوری (NIST) در بولدر ، کلرادو ، به طور منظم تر می شوند.

در این ماه ، محققان NIST منتشر کردند مقاله مجله ایجاد NIST-F4 به عنوان یکی از دقیق ترین زمان های جهان. NIST همچنین ساعت را برای پذیرش به عنوان یک استاندارد فرکانس اصلی توسط دفتر بین المللی وزن و اقدامات (BIPM) ، بدنی که بر زمان جهان نظارت می کند ، ارسال کرده است.

NIST-F4 یک فرکانس تغییر ناپذیر در قلب اتم های سزیم را اندازه گیری می کند ، مبنای بین المللی توافق شده برای تعریف دوم از سال 1967. ساعت مبتنی بر یک طرح “چشمه” است که نشان دهنده استاندارد طلای دقت در زمان بندی است. NIST-F4 با چنان نرخ ثابت که اگر 100 میلیون سال پیش شروع به کار کرده بود ، وقتی دایناسورها پرسه می زدند ، امروز کمتر از یک ثانیه خاموش می شوند.

NIST-F4 با پیوستن به گروه کوچکی از قطعات زمان مشابه نخبه که فقط 10 کشور در سراسر جهان اداره می شود ، پایه و اساس زمان جهانی را با ثبات تر و ایمن تر می کند. در عین حال ، به هدایت ساعتهای NIST برای حفظ زمان رسمی ایالات متحده کمک می کند. توزیع شده از طریق رادیو و اینترنت ، زمان رسمی ایالات متحده برای سیستم های مخابراتی و حمل و نقل ، سیستم عامل های تجارت مالی ، عملیات مرکز داده و موارد دیگر بسیار مهم است.

NIST-F4 سیگنال های زمانی را بهبود بخشیده است که “هر روز به معنای واقعی کلمه میلیاردها بار برای همه چیز از تنظیم ساعت و ساعت گرفته تا اطمینان از تمبر زمانی دقیق صدها میلیارد دلار معاملات مالی الکترونیکی” استفاده کرده است. “

معرفی NIST-F4: استاندارد جدید فرکانس اصلی کشور

یک نوع خاص از ساعت

ساعتهای چشمه سزیم مانند NIST-F4 نوعی است ساعت اتمی -یک وسیله پیچیده و با دقت بالا که پالس های زمان بندی را از اتم ها استخراج می کند. این ساعت ها نقش مهمی در جامعه جهانی ما دارند: آنها به عنوان “استانداردهای فرکانس اصلی” که برای کالیبراسیون زمان جهانی هماهنگ یا UTC (یک سیستم توافق شده برای نگه داشتن زمان استفاده از داده های ساعتهای اتمی در سراسر جهان ، که به عنوان مقیاس زمانی شناخته می شوند) خدمت می کنند.

آزمایشگاه های اندازه گیری ملی مانند NIST نسخه های UTC را با استفاده از مقیاس زمانی خود تولید و توزیع می کنند. به عنوان مثال ، نسخه NIST به UTC (NIST) معروف است. سپس از آن مقیاس های زمانی ملی برای همگام سازی ساعت ها و شبکه هایی که در زندگی روزمره خود به آنها اعتماد می کنیم استفاده می شود.

در ساعتهای چشمه ، ابر هزاران اتم سزیم برای اولین بار با استفاده از لیزرها به صفر مطلق خنک می شود. سپس ، یک جفت پرتوهای لیزر اتمها را به آرامی به سمت بالا پرتاب می کنند ، پس از آن آنها زیر وزن خودشان قرار می گیرند.

در طول سفر ، اتمها دو بار از یک محفظه کوچک پر از تابش مایکروویو عبور می کنند. اولین بار ، همانطور که اتمها در حال حرکت هستند ، مایکروویو ها اتم ها را در حالت کوانتومی قرار می دهند که به موقع با فرکانس ویژه ای که به عنوان فرکانس رزونانس سزیم شناخته می شود ، چرخه می گیرد – یک ثابت بدون تغییر توسط قوانین طبیعت.

حدود یک ثانیه بعد ، با پایین آمدن اتمها ، تعامل دوم بین مایکروویو و اتم ها نشان می دهد که فرکانس مایکروویو ساعت چقدر به فرکانس رزونانس طبیعی اتم ها نزدیک است. این اندازه گیری برای تنظیم فرکانس مایکروویو به سمت فرکانس رزونانس اتمی استفاده می شود.

سپس یک ردیاب 9،192،631،770 چرخه موج از مایکروویوهای تنظیم شده خوب را در نظر می گیرد. زمان لازم برای شمارش آن چرخه ها ، دوم رسمی بین المللی را مشخص می کند.

(این ممکن است در اوایل سال 2030 تغییر کند ، هنگامی که ملت ها قصد دارند در نظر بگیرند تعریف مجدد دوم از نظر یک یا چند عنصر اتمی مختلف که در ساعتهای به اصطلاح نوری مورد استفاده قرار می گیرند که می توانند زمان را حتی دقیق تر از ساعتهای چشمه اندازه گیری کنند. حتی پس از آن ، ساعتهای چشمه سزیم باز هم نقش مهمی در هرچند کاهش یافته در زمان بندی بازی می کنند.)

چگونه NIST-F4 ، جدیدترین ساعت چشمه NIST ، کار می کند؟

یک سال سفر در ساخت

کمتر از 20 چشمه سزیم در هر نقطه از جهان فعالیت می کنند. بر خلاف ساعتهای اتمی در دسترس تجاری که ثانیه ها را برای مراکز داده اینترنت ، بازار سهام و سایر شرکت های خصوصی خاموش می کند ، تقریباً هر ساعت چشمه توسط دانشمندان در یک آزمایشگاه ملی اندازه گیری مانند NIST ساخته و اداره می شود.
گرگ هوت ، فیزیکدان NIST در تیم ساعت چشمه گفت: “این یک فناوری زیبا است که دارای مزایای عملکرد واقعی است ، اما بسیار ظریف است.”

پذیرفتن NIST-F4 در این باشگاه نادر ، سالها سفر در ساخت بود. دانشمندان NIST اولین ساعت چشمه آژانس را ساختند ، nist-f1، در اواخر دهه 1990. NIST-F1 بیش از یک دهه و نیم دوید و از آن برای انجام کالیبراسیون فرکانس منظم استفاده شد. اما ساعتهای چشمه می توانند به همان اندازه دقیق شکننده باشند و پس از انتقال به یک ساختمان جدید در سال 2016 ، ساعت مجبور به ترمیم و با دقت آزمایش شد تا دوباره به عنوان یک استاندارد فرکانس اصلی کار کند – فرایندی که بیش از حد انتظار می رود.

در سال 2020 ، فیزیکدان ولادیسلاو گرگینف بررسی اندازه گیری فرکانس NIST-F1 را آغاز کرد. سرانجام ، او ، هوت و همكاران تصمیم گرفتند هسته ساعت – حفره مایکروویو ، جایی که اتمهای سزیم اندازه گیری می شود – از ابتدا بازسازی کنند. برای دستیابی به دقت لازم ، آنها برای دستیابی به تحمل 5 تا 10 میکرون-تقریباً یک پنجم عرض یک موهای انسانی نیاز داشتند.

دانشمندان کویل های جدید گرمایش الکتریکی ، کویل های مغناطیسی ، اپتیک و اجزای مایکروویو را اضافه و تنظیم کرده اند. تیم NIST تصمیم به نام چشمه جدید NIST-F4 گرفت. (NIST دو ساعت دیگر چشمه ، NIST-F2 و NIST-F3 ساخته است و NIST-F4 را چهارم در این سریال قرار داده است.)

تیم تحقیقاتی اندازه گیری های ماه ها را انجام داد تا اطمینان حاصل شود که NIST-F4 توسط عواملی مانند نوسانات فشار و دما یا میدان های برقی و مغناطیسی ولگرد دور نشده است. آنها کنه های چشمه را با آنهایی که از هیدروژن ماسرز – ساعتهای اتمی اسب کار که ثانیه ها را برای زمان رسمی ایالات متحده از بین می برد – مقایسه کردند تا اطمینان حاصل کنند که آنها یک ضرب و شتم ثابت و تغییر ناپذیر را حفظ می کنند.

هوت گفت: “ساعتهای چشمه بسیار کسل کننده است.”

ارزیابی یک ساعت چشمه مانند NIST-F4 “یک روند آهسته است زیرا ما باید بسیار محافظه کار باشیم.” وی گفت: “ما باید همه چیز را در مورد آن بدانیم” قبل از خدمت ، زیرا هرگونه خطایی در سیگنال های زمان بندی می تواند نه تنها زمان ما بلکه زیرساخت های جهانی زمان را خراب کند.

در این ماه ، تیم NIST گزارش شده در ژورنال ورق شناسی اندازه گیری فرکانس NIST-F4 در 10 تا شانزدهم (10 میلیون میلیارد) در 2.2 قسمت دقیق بود-قابل مقایسه با بهترین ساعت های چشمه جهان. تیم NIST همچنین داده های ساعت را به BIPM ارسال کرد ، جایی که تیمی از متخصصان قبل از اینکه BIPM رسماً ساعت را به عنوان یک استاندارد فرکانس اصلی تأیید کند ، آن را بررسی می کنند.

دونلی گفت: “موفقیت NIST-F4 رهبری جهانی NIST را در استانداردهای فرکانس اولیه تجدید کرده است.” “ولادی و گرگ از نبوغ و مهارت برای بازگرداندن عملکرد قابل اعتماد و کلاس جهانی چشمه های اتمی NIST استفاده کردند.”

NIST-F4 و یک ساعت چشمه دوم ، NIST-F3 ، تقریباً 90 ٪ از زمان کار می کنند و حداقل یکی از ساعت ها در هر زمان معین کار می کند. داده های NIST-F4 به صورت دوره ای به BIPM برای کالیبراسیون UTC ارسال می شود ، و هر دو ساعت در حال حاضر به هدایت مقیاس زمانی NIST UTC (NIST) کمک می کنند.

دونلی گفت ، مقیاس زمانی NIST “قبلاً از زمان بالایی چشمه و قابلیت اطمینان عملکرد آن سودمند بوده است.”

---

مقاله: Vladislav Gerginov ، Gregory W. Hoth ، Thomas P. Heavner ، Thomas E. Parker ، Kurt Gibble and Jeff A. Sherman. ارزیابی دقت از فرکانس اولیه استاندارد NIST-F4. اندازه گیری منتشر شده به صورت آنلاین 15 آوریل 2025. doi: 10.1088/1681-7575/ADC7BD