Så här fungerar atomklockor, de mest exakta klockor som finns

Instrumenten som hjälper oss att markera och räkna tidens gång är klockor, men de atomära har utan tvekan en fördel: låt oss se vilken och hur dessa kraftfulla instrument fungerar. 

Hur fungerar atomklockor?

Svdmolen/Wikimedia commons - Public Domain

Om armbands- och väggklockor hjälper oss att veta tiden och vara punktliga, är de atomära klockorna oöverträffade: de är i själva verket de mest exakta tidtagningsinstrument som hittills tillverkats. Deras felmarginal är ungefär bara en sekund under en period av hundra miljoner år: dessa instrument designades faktiskt för att uppskatta den exakta varaktigheten på en sekund. Sedan 1967, enligt SI, International System of Units, är en sekund den tid som behövs för en cesium-122-atom att svänga 9 miljarder, 192 miljoner, 631.000 och 770 gånger. Men exakt hur fungerar en atomklocka?

I dessa instrument fungerar atomernas svängningar som visaren på en klassisk klocka, men med en extremt högre precision. Även om det finns olika typer av atomur, är dess funktion nästan densamma: atomerna överhettas i en ugn och grupperas tillsammans på en stråle. Var och dem har två energitillstånd, som kallas hyperfina nivåer och ett magnetfält tar hand om att eliminera alla "B"-atomer, vilket bara lämnar "A"-atomerna. Atomer passerar från "A"-atom genom en resonator medan de genomgår mikrovågsstrålning och omvandlas till "B"-atom. Ett andra magnetfält eliminerar de återstående "A"-atomerna, medan en detektor beräknar antalet "B"-atomer, beroende på radiatorns frekvens. Syftet är att synkronisera mikrovågsfrekvensen med atomernas oscillation.

Atomklockor, historia och typ

National Institute of Standards and Technology/Wikimedia commons - Public Domain

Precisionen hos dessa instrument ser kontinuerliga framsteg och hundratals atomklockor runt om i världen hjälper till vid beräkningen av TAI, International Atomic Time. Dess tidtagning är nu grunden för många tekniker, inklusive GPS-satelliter, datorer och telekommunikation. Men pågående forskning av organisationer som NIST och JILA leder till ständiga förbättringar. 

Atomklockan är en uppfinning som går tillbaka till 1949 av NIST, men först 20 år senare fick den en viktig roll inom teknikområdet. 

Samtidigt har forskare från NIST designat nästa generations atomklockor med olika atomer, inklusive kvicksilver, aluminium, kalcium, ytterbium och strontium, som alla kan erbjuda olika fördelar och potentiellt bana väg för ny teknik. Dess alltmer häpnadsväckande precision gäller inte bara tiden, utan de kan också mäta gravitationen, temperaturen, magnetfält och mycket annat. Fram till för några år sedan tillhörde precisionsrekordet en experimentell klocka baserad på en enda kvicksilverjon, följt av aluminiumjoner och element baserade på kalla neutrala atomer i optiska gitter där NIST och JILA är ledare. Denna typ omsluter tusentals tungmetaller i ett gitter som består av laserstrålar som korsar varandra. Vidare utvecklade NIST kalciumatomklockan, som visade sig vara väldigt stabil, om än under kortare perioder, men framför allt portabel, vilket gjorde den attraktiv på global kommersiell nivå.

Strontium atomklocka, den mest exakta någonsin

National Institute of Standards and Technology/Wikimedia commons - Public Domain

Det viktigaste kravet för en atomklocka, enligt forskare, är stabilitet, det vill säga den precision med vilken varaktigheten av varje tick på klockan är identisk med andra. Ju stabilare en klocka är, desto snabbare kan denna överenskommelse beräknas. För närvarande har de största framstegen i denna mening uppnåtts med modifieringen av strontiumklockan, som har nått rekordnivåer av både precision och stabilitet: detta instrument förlorar inte en sekund inom loppet av 15 miljarder år, vilket är ungefär lika med universums ålder. 

Dess otroliga tidtagning kan ha en exceptionell inverkan på avancerad teknik och kan även användas för att manövrera en känslig höjdmätare för att upptäcka förändringar i gravitationen och andra experiment som går bortom tidmätning.

Noggrannheten hos denna experimentella strontiumgitterklocka från JILA, ett gemensamt institut för NIST och University of Colorado Boulder, tredubblades inom ett år. Stabiliteten har dock ökat med 50%. Dess kraft räcker nu för att mäta förändringar i tidens gång och i gravitationen på olika höjder: som Einstein teoretiserade ökar klockors tick i hastighet på högre höjder.

I denna fantastiska klocka är flera tusen stroniumatomer inneslutna i en 30x30 mkrometer kolumn med cirka 400 områden som består av optiskt gitterlaserljus. Den senaste förändringen korrigerade fel relaterade till svartkroppsstrålning, det vill säga den omgivande värmen som förändrade atomernas reaktion på laserljus. För att lösa problemet satte forskare in två platinamotståndstermometrar i klockans vakuumkammare och gjorde en strålningssköld för att skydda atomkammaren, vilket gjorde att klockan kan fungera i rumstemperaturer som inte är kryptogena. 

Framtida utveckling kan leda dessa klockor till beräkningar som går utöver tiden, och bli alltmer exakta och kraftfulla instrument, som till och med kan ersätt tidvattnet i geomagnetiska studier.