Atomski sat s cjelokupnom opremom, u američkom pomorskom opservatorijuMinijaturni atomski satTočnost atomskih satova kroz povijest (NIST -National Institute of Standards and Technology)
Atomski sat na bazicezija jesat koji koristielektromagnetsko zračenje, koje nastaje kod prijelaza između dviju hiperfinih razina osnovnog stanja atoma cezija-133 na temperaturi od 0K. Prvi atomski sat je napravljen 1955. uVelikoj Britaniji. Od tada, njegova izrada je toliko napredovala, da se smatra jednim od najpreciznijih uređaja, koje je čovjek napravio u svojojpovijesti. Najnovija generacija atomskih satova ima najveću grešku od 1 sekunde u 30 milijuna godina.[1]
Atomski sat je najtočniji sat na svijetu. On čak preciznije mjeri vrijeme odrotacije Zemlje i kretanja zvijezda. Bez njega ne bi bio izvodljiv ni GPS (Global Positioning System),navigacija bi bila otežana, položajiplaneta ne bi se mogli određivati tako precizno, ne bi bilo moguće tako precizno planiranje svemirskih letova.
Atomi imaju karakterističnefrekvencijetitranja. Najpoznatija frekvencija narančasti je sjajnatrija izkuhinjske soli, kada se prospe poplamenu. Atom može imati različite frekvencije, ali jecezij-133 element koji se najčešće koristi u atomskim satovima.
Da bi se cezijeva atomskarezonancija iskoristila za atomski sat, potrebno je precizno izmjeriti jednu od njegovih frekvencija, što se obično čini vezivanjem jednogkristalnog oscilatora za glavnumikrovalnu rezonanciju cezijevog atoma. Taj signal je u mikrovalnom području elektromagnetskog spektra i, sasvim slučajno, u istoj je vrsti frekvencija kao direktno emitirani satelitski signali.
Da bi se napravio atomski sat, cezij se prvo zagrijava i atomi prolaze kroz cijev pod visokimvakuumom – prvo krozmagnetsko polje koje odabire atome odgovarajućeg energetskog stanja, pa potom prolaze kroz intenzivno mikrovalno polje. Frekvencija mikrovalne energije titra natrag i naprijed u uskom području frekvencija, tako da u jednoj točki svakog ciklusa prelazi frekvenciju od točno 9 192 631 770Hertza. Domet mikrovalnog generatora je ionako blizu baš toj frekvenciji, jer potječe od preciznog kristalnog oscilatora. Kad atom cezija primi mikrovalnu energiju na točnoj frekvenciji, njegovo energetsko stanje se mijenja.
Na drugoj strani cijevi, drugo magnetsko polje izdvaja atome izmijenjenog energetskog stanja ako je mikrovalno polje na točnoj frekvenciji. Jedan detektor na kraju cijevi daje izlaz proporcionalan broju cezijevih atoma koji ga udaraju, pri čemu su najveće vrijednosti izlaza onda kad je mikrovalna frekvencija točna. Ta najveća vrijednost se potom koristi za izvođenje male ispravke, kako bi se kristalni oscilator, odnosno mikrovalno polje, postavili na preciznu frekvenciju. Tako utvrđena frekvencija se potom dijeli s 9 192 631 770, kako bi se dobio jedan otkucaj posekundi potreban u realnom svijetu.
Danas postoji više vrsta atomskih satova, ali svi rade na sličan način. Najveća razlika među njima se odnosi naelement koji koriste kao sredstvo otkrivanja promjene energetskih razina: cezijev koristi snop cezijevih atoma, pri čemu sat uz pomoć magnetskog polja razdvaja cezijeve atome različitih energetskih razina;vodikovi atomski satovi održavaju atome vodika na odgovarajućoj energetskoj razini u jednom spremniku sa zidovima od specijalnog materijala, tako da atomi ne gube prebrzo visoku energetsku razinu. Najjednostavniji i najkompaktniji,rubidijevi atomski satovi, koriste staklenu ćeliju splinom rubidijem, koja mijenja upijanjesvjetlosti na optičkoj rubidijevoj frekvenciji, kad je okolna mikrovalna frekvencija točna. Najprecizniji su cezijevi atomski satovi s normalnim magnetskim poljem.
Prvi koji je predložio ideju korištenja elektromagnetskog zračenja, koje nastaje kod prijelaza između dviju razina osnovnog stanja atoma, je bioLord Kelvin 1879.[2]Isidor Rabi je 1930-tih razviomagnetsku rezonanciju i to je bio prvi praktični način da se to primijeni.[3] 1949. je uSAD napravljen prviamonijev maser, koji je imao veću grešku od kvarcnih satova, ali je radio na sličan način kao današnji atomski satovi. Prvi točan atomski sat je napravio Louis Essen uVelikoj Britaniji 1955., na osnovu atoma cezija-133. Točnost toga sata je dovela da je svojstvo cezija-133 izabrano odMeđunarodnog sustava mjernih jedinica za određivanje trajanja jedne sekunde.Sekunda je trajanje od 9 192 631 770periodazračenja koje odgovara prijelazu između dviju hiperfinih razina osnovnog stanja atomacezija-133 na temperaturi od 0K.[4]
Od tada se za atomske satove koriste vodik-1, cezij-133 i rubidij-87, ali ipak cezij-133 je najtočniji. Atomski sat FOCS-1 uŠvicarskoj, koji je počeo raditi 2004., ima najveću grešku od 1 sekunde u 30 milijuna godina.[5]
2008.fizičari iz NIST-a (engl.National Institute of Standards and Technology) su prikazali kvantni sat, koji se zasniva na pojedinim ionimaberilija ialuminija. To je najtočniji sat do tada, s najvećom greškom od 1 sekunde u milijardu godina. 2010. ista je grupa fizičara prikazala novi, još točniji sat, koji se zasniva na pojedinim ionimamagnezija i aluminija, i koji je dvostruko točniji od prethodnog.[6][7]
↑"TIME from Earth Rotation to Atomic Physics" McCarthy Dennis, Seidelmann P. Kenneth, publisher=Wiley-VCH, 2009.
↑Sir William Thomson (Lord Kelvin) and Peter Guthrie Tait:Treatise on Natural Philosophy, Cambridge University Press, 1879.,page 227
↑M.A. Lombardi, T.P. Heavner, S.R. Jefferts: "NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second",[1] journal=Journal of Measurement Science, 2007.
↑L. Essen, J.V.L. Parry: "An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Caesium Resonator", journal=Nature, 1955.
↑"NIST 'Quantum Logic Clock' Rivals Mercury Ion as World's Most Accurate Clock",[2], PhysOrg.com, 2009.
↑C.W Chou, D. Hume, J.C.J. Koelemeij, D.J. Wineland, and T. Rosenband: "Frequency Comparison of Two High-Accuracy Al+ Optical Clocks",[3]Arhivirana inačica izvorne stranice od 21. srpnja 2011. (Wayback Machine), NIST, 2011.
