• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Uruchomiono jeden z najprecyzyjniejszych optycznych zegarów atomowych

    02.03.2015. 20:53
    opublikowane przez: Redakcja

    W pomieszczeniach Krajowego Laboratorium FAMO w Toruniu „słychać” już tykanie optycznego zegara atomowego, zbudowanego dzięki współpracy uczonych z uniwersytetów Warszawskiego, Jagiellońskiego i Mikołaja Kopernika. Nowy zegar,      pierwszy tego typu w Polsce i jeden z nielicznych na świecie, pozwoli wyznaczać upływ czasu z wyjątkową precyzją.

    Fizycy z Warszawy, Torunia i Krakowa skonstruowali optyczny zegar atomowy, jeden z nielicznych tego typu przyrządów na świecie i już teraz, na wczesnym etapie rozruchu, prawdopodobnie najbardziej precyzyjny zegar w Polsce. Urządzenie, zajmujące cztery pokoje w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) w Toruniu, zostało zbudowane i uruchomione przez konsorcjum naukowe Polski Optyczny Zegar Atomowy (POZA), w którego skład wchodzą Uniwersytet Warszawski (koordynator projektu), Uniwersytet Mikołaja Kopernika oraz Uniwersytet Jagielloński.

    Teoretyczna stabilność nowego zegara, wynikająca z wykorzystywanych mechanizmów fizycznych, dopuszcza błąd o sekundę na kilkadziesiąt miliardów lat, co jest okresem kilkukrotnie dłuższym od tego, jaki upłynął od Wielkiego Wybuchu.

    „Tak duża stabilność jest jeszcze przed nami. Jak każdy tak wyrafinowany przyrząd pomiarowy, i nasz zegar wymaga stopniowej, uważnej kalibracji i ciągłego wprowadzania pewnych udoskonaleń. Jednak już teraz, na samym początku pracy, osiągnęliśmy większą stabilność niż wymagana dla tego typu zegarów przez paryskie Międzynarodowe Biuro Miar i Wag: mylimy się mniej niż sekundę na kilkadziesiąt milionów lat”, mówi dr hab. Roman Ciuryło, dyrektor KL FAMO.

    Optyczne zegary atomowe składają się ze wzorca atomowego, grzebienia optycznego oraz ultraprecyzyjnego lasera. Częstotliwość światła generowanego przez laser jest dokładnie dostrajana do różnicy energetycznej między ściśle określonymi poziomami w atomach znajdujących się we wnętrzu wzorca atomowego. Pomiar czasu odbywa się poprzez zliczanie oscylacji pola elektromagnetycznego w już dostrojonym i ustabilizowanym świetle laserowym. Częstotliwość fali świetlnej lasera jest jednak tak duża, że zliczanie pojedynczych „tyknięć” wykracza poza możliwości współczesnej elektroniki. Rolę przekładni zębatej, przeliczającej częstotliwości optyczne na mniejsze, radiowe, pełni grzebień optyczny – laser wytwarzający wiele bardzo krótkich impulsów, trwających zaledwie femtosekundy (milionowe części miliardowych części sekundy). Impulsy te służą jako optyczny odpowiednik linijki, której „podziałkę” można zsynchronizować (zdudnić) z częstotliwością światła dostrojonego do wzorca atomowego.

    „Naprawdę precyzyjne pomiary czasu wymagają ciągłego porównywania wyników z wieloma innymi zegarami. Dlatego zbudowaliśmy od razu dwa całkowicie niezależne od siebie wzorce atomowe. Odczyty z obu pozwalają nam znacznie dokładniej korygować 'tyknięcia' zegara jako całości”, mówi dr hab. Michał Zawada (KL FAMO, UMK).

    Oba wzorce atomowe w KL FAMO mogą pracować na atomach strontu 88, lecz by uniknąć powielania błędów pomiarowych, w jednym może być zamiennie użyty stront 87. W każdym wzorcu atomy strontu są izolowane od otoczenia i od siebie: schłodzone do temperatury poniżej 10 mikrokelwinów, tkwią we wnętrzu komory z ultrawysoką próżnią, unieruchomione w odpowiednio skonstruowanej pułapce optycznej, wytworzonej przez wiązkę pomocniczego lasera.

    W celu odczytania upływu czasu atomy strontu są oświetlane czerwonym światłem głównego, ultrastabilnego lasera o częstotliwości ok. 429 teraherców. Po dokładnym dostrojeniu energii światła laserowego do przejścia w atomach, częstotliwość wiązki jest za pomocą grzebienia optycznego przetwarzana na częstotliwości radiowe, wynoszące ok. 250 megaherców. Na tym etapie poszczególne „tyknięcia” są już zliczane przez odpowiednią aparaturę elektroniczną.

    „Czym innym jest stabilność zegara, a czym innym jego dokładność. Aby ustalić tę drugą, czyli żeby móc porównywać nasze odczyty z dotychczasowymi polskimi wzorcami czasu, nawiązaliśmy współpracę z Głównym Urzędem Miar w Warszawie oraz z Obserwatorium Astrogeodynamicznym w Borowcu”, podkreśla prof. dr hab. Czesław Radzewicz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW).

    Sygnały czasu między laboratoriami w Toruniu, Warszawie i Borowcu są przesyłane światłowodami udostępnionymi przez akademicką sieć PIONIER i firmę Orange w ramach projektu OPTIME Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Sieć składa się z telekomunikacyjnych światłowodów oraz dedykowanych urządzeń transmisyjnych i wzmacniających opracowanych przez inżynierów Katedry Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

    „Już samo włączenie toruńskiego zegara w pulę dotychczasowych zegarów wyznaczających standard czasu zwiększy precyzję tego standardu. W praktyce oznacza to, że nasz zegar będzie miał wkład również w przyszłą definicję sekundy”, podkreśla dr Zawada.

    Ponieważ zegar w KL FAMO funkcjonuje od niedawna, fizycy zaangażowani w projekt nie zakończyli jeszcze pomiarów pozwalających precyzyjnie wyznaczyć wszystkie cechy przyrządu. Zebrane dotychczas dane sugerują jednak, że już na obecnym etapie eksploatacji w Toruniu działa najstabilniejszy i najdokładniejszy zegar w Polsce.

    „Podstawą sukcesu był doskonały podział pracy i harmonijna współpraca grup doświadczalnych ze wszystkich trzech uniwersytetów. Projekt był przecież także poważnym wyzwaniem logistycznym. Jeden ze wzorców atomowych zbudowano w Krakowie, skąd po wstępnym uruchomieniu i próbach trafił do Torunia. Aparatura, niezwykle wrażliwa, zniosła tę podróż bez uszczerbku”, mówi prof. dr hab. Wojciech Gawlik (UJ) i zauważa: „Dzięki naszej współpracy mamy teraz w KL FAMO unikalne urządzenie, na którym oprócz niezwykle precyzyjnych pomiarów czasu można przeprowadzać bardzo wyrafinowane eksperymenty z fizyki atomowej, molekularnej czy optyki kwantowej”.

    Precyzyjne pomiary czasu odgrywają istotną rolę w wielu dziedzinach nauki i techniki. Najbardziej wyrafinowane zegary pomagają fizykom testować tak fundamentalne cechy rzeczywistości, jak zmienność w czasie stałych fizycznych, służą do niezwykle dokładnego weryfikowania przewidywań ogólnej teorii względności, a także do poszukiwań ciemnej materii w kosmosie. Zegary atomowe poprzedniej generacji, o znacząco mniejszej precyzji, są obecnie stosowane m.in. w systemach nawigacji satelitarnej, w bezprzewodowych sieciach o dużej przepustowości (wi-fi), przy zabezpieczaniu transmisji bankowych, a także w pomiarach pola grawitacyjnego Ziemi, ujawniających jej wewnętrzną strukturę geologiczną.

    Budowa optycznego zegara atomowego w Toruniu została sfinansowana przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

    Fizyka i astronomia na Uniwersytecie Warszawskim pojawiły się w 1816 roku w ramach ówczesnego Wydziału Filozofii. W roku 1825 powstało Obserwatorium Astronomiczne. Obecnie w skład Wydziału Fizyki UW wchodzą Instytuty: Fizyki Doświadczalnej, Fizyki Teoretycznej, Geofizyki, Katedra Metod Matematycznych Fizyki oraz Obserwatorium Astronomiczne. Badania pokrywają niemal wszystkie dziedziny współczesnej fizyki, w skalach od kwantowej do kosmologicznej. Kadra naukowo-dydaktyczna Wydziału składa się z ok. 200 nauczycieli akademickich, wśród których jest 88 pracowników z tytułem profesora. Na Wydziale Fizyki UW studiuje ok. 1000 studentów i ponad 170 doktorantów.

    inf. prasowa FUW


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej Molekularnej i Optycznej (KL FAMO) to międzyuczelniana jednostka badawcza mieszcząca się w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Oficjalne otwarcie laboratorium nastąpiło w 2002 roku. Zegar Shortta (ang.: Shortt synchronome clock) – elektromechaniczny zegar wahadłowy, wynaleziony w 1921 roku przez brytyjskiego inżyniera Williama Hamiltona Shortta, we współpracy z zegarmistrzem Frankiem Hope Jonesem. W latach 1922–1956 firma Synchronome Co., Ltd. of London wyprodukowała około stu egzemplarzy tego zegara. Zegary Shortta były najdokładniejszymi zegarami mechanicznymi, jakie kiedykolwiek zostały skonstruowane. Od roku 1922 aż do końca lat 40. XX wieku (kiedy zastąpiono je dokładniejszymi zegarami kwarcowymi) opierała się na nich cała światowa służba czasu. Dokładność ich chodu sięgała pojedynczych milisekund na dobę (chociaż ostatnie doświadczenia wskazują, że można ją poprawić nawet do 200 mikrosekund na dobę). Zegary te w 1926 roku po raz pierwszy z powodzeniem wykorzystano do pomiaru niewielkich zmian prędkości rotacji Ziemi. Zegar kwarcowy - rodzaj zegara, w którym do odmierzania czasu wykorzystuje się drgający kryształ kwarcu. Drgania kryształu są zliczane przez układy cyfrowe, które pokazują aktualny czas na wyświetlaczu zegarka. Rezonator kwarcowy wytwarza sygnał o precyzyjnie ustalonej częstotliwości, przez co zegary kwarcowe są co najmniej o rząd wielkości dokładniejsze od zegarów mechanicznych.

    Zegar atomowy – rodzaj zegara, którego działanie opiera się na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości. Cyfrowy zegar słoneczny, to zegar słoneczny wskazujący aktualny czas w postaci cyfrowej. Zgodnie z ideą zegara słonecznego jest to urządzenie całkowicie bierne, nie posiadające ruchomych części ani nie zasilane z żadnego źródła energii. O zmianie wyświetlanych cyfr decyduje tylko i wyłącznie położenie słońca względem zegara.

    Zegar wodny lub klepsydra jest urządzeniem służącym do pomiaru czasu. Jego działanie opiera się o regularny i stały wypływ wody ze zbiornika zwykle przez niewielki otwór. Kontrola dokładności wypływu wody w tego typu urządzeniach jest dość trudna, dlatego zegary wodne nigdy nie osiągnęły dużej precyzji. Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika – jeden z 17 wydziałów Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Utworzony w 1993 roku w wyniku podziału Wydziału Matematyki, Fizyki i Chemii. Na Wydziale zatrudnionych jest około 200 osób, w tym 56 profesorów i doktorów habilitowanych oraz 75 nauczycieli akademickich w stopniu doktora lub magistra. Rada Naukowa Instytutu Fizyki posiada uprawnienia do nadawania stopni naukowych doktora oraz doktora habilitowanego nauk fizycznych, natomiast Rada Wydziału ma uprawnienia do nadawania stopni naukowych doktora oraz doktora habilitowanego nauk fizycznych w zakresie astronomii.

    Zegar mechaniczny – zegar wykorzystujący jako regulator chodu wahadło lub balans. Energia do napędu regulatora przekazywana jest za pomocą wychwytu. Zegar taki nazywany jest mechanicznym niezależnie od tego, czy energia potrzebna do ruchu zegara pochodzi z energii sprężyny czy np. z napędu elektrycznego. Jako zegary mechaniczne budowane są zarówno zegary wieżowe, jak i zegarki naręczne. Obecnie masowo produkuje się także zegary kwarcowe, tańsze, ale bardzo punktualne. Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu – ośrodek astronomiczny Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, kształcący studentów Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, a także służący obserwacji kosmosu, badaniom naukowym, popularyzacji wiedzy o wszechświecie.

    Zegar systemowy - fizyczne urządzenie wbudowane na płycie głównej komputera, odpowiedzialne za dostarczanie aktualnego czasu i daty do komputera i oprogramowania. Można synchronizować jego działanie z zewnętrznymi serwerami czasu uzyskując wysoką dokładność wskazań. Zegar systemowy odpowiada również za dostarczanie sygnałów synchronizujących działanie podzespołów komputera z dokładnością do tysięcznych części sekundy.

    Zegar słoneczny – zegar, który odmierza czas na podstawie zmiany pozycji Słońca, najczęściej wyrażony jako lokalny prawdziwy czas słoneczny. Jego działanie polega na wskazaniu odpowiedniej podziałki za pomocą cienia, rzucanego przez nieruchomą wskazówkę na skalę czasu (np. z podziałką godzinową), umieszczoną na powierzchni (niekoniecznie płaskiej – jak np. w zegarach pierścieniowych) tarczy zegarowej, znajdującej się na ziemi, posadzce, ścianie budowli lub postumencie. Oprócz stacjonarnych istnieją także przenośne zegary słoneczne. Niektóre z nich, pełniące rolę zegarów podróżnych, występują w wersji kieszonkowej (składanej).

    Wzorzec częstotliwości – w Polsce, atomowy wzorzec cezowy; jest to etalon, którego częstotliwość wynosi 9,1926317716 GHz. W Polsce wzorce częstotliwości są zarazem wzorcami czasu. Generator częstotliwości wzorcowej – rodzaj przyrządu wykorzystywanego do dokładnych pomiarów częstotliwości i okresu, a także do generacji wzorcowych sygnałów podstawy czasu wykorzystywanych przez inne przyrządy pomiarowe.

    Zegar słoneczny – zegar określający czas w godzinach na podstawie pozycji Słońca, przez wskazanie cienia rzucanego przez nieruchomy wskaźnik na powierzchnię tarczy z podziałką godzinową umieszczoną na ziemi, posadzce, ścianie budowli lub postumencie. Używany od starożytności. Istnieją także przenośne (kieszonkowe) zegary tego typu. Międzynarodowy czas atomowy (ang. International Atomic Time, fr. Temps Atomique International, TAI) - międzynarodowy standard pomiaru czasu, utworzony w 1955 r., bazujący na uśrednieniu czasu mierzonego przez wiele cezowych zegarów (zegarów atomowych) na całym świecie. TAI jest utrzymywany przez Międzynarodowe Biuro Wag i Miar (Bureau International des Poids et Mesures (BIPM)), światowe ciało zarządzające pomiarami czasu dla celów cywilnych. TAI jest podstawą Universal Time Coordinated.

    Synchronizacja zegarów: Synchronizacja zegarów stanowi fundamentalny punkt szczególnej teorii względności. Każdy punkt w czasoprzestrzeni jest teoretycznie wyposażony w wirtualny zegar i pozostaje tylko zsynchronizować je, aby otrzymać informację o kolejności zdarzeń. W tym celu wysyłamy sygnał świetlny do punktu zaopatrzonego w zegar i czekamy na jego natychmiastową odpowiedź również w postaci impulsu świetlnego. W momencie jego powrotu znamy opóźnienie zegara, który synchronizowaliśmy co wystarcza nam do określenia pojęcia następstwa i jednoczesności zdarzeń. Należy podkreślić, że synchronizujemy zegary tylko w obrębie tego samego układu inercjalnego. Dawca czasu (niem. Zeitgeber) – egzogenne źródło synchronizacji zegara biologicznego organizmu do rytmu 24-godzinnego. Dla większości organizmów głównym dawcą czasu jest światło (sekwencje światła i ciemności). Funkcję tę mogą także pełnić rytmy temperatury otoczenia, dostępność pokarmu czy bodźce społeczne.

    Zegar mechaniczny – zegar wykorzystujący jako regulator chodu wahadło lub balans. Energia do napędu regulatora przekazywana jest za pomocą wychwytu. Zegar taki nazywany jest mechanicznym niezależnie od tego, czy energia potrzebna do ruchu zegara pochodzi z energii sprężyny czy np. z napędu wodnego czy elektrycznego. Jako zegary mechaniczne budowane są zarówno zegary wieżowe, jak i zegarki naręczne.

    Dodano: 02.03.2015. 20:53  


    Najnowsze