Przejdź do zawartości

Optyczny zegar atomowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii

Optyczny zegar atomowy (także zegar optyczny) – typ zegara atomowego, w którym wzorzec częstotliwości stanowi przejście atomowe lub jonowe w zakresie optycznym. Ponieważ częstotliwości optyczne są rzędu setek teraherców, zegary tego typu umożliwiają dokładniejszy pomiar czasu niż mikrofalowe zegary cezowe i należą do najprecyzyjniejszych przyrządów pomiarowych współczesnej fizyki[1]. Zegary optyczne to jeden z głównych kierunków rozwoju metrologii czasu i częstotliwości, a ich rosnąca stabilność oraz malejąca niepewność systematyczna sprawiają, że uważa się je za kandydatów do przyszłej redefinicji sekundy[2].

Zasada działania

[edytuj | edytuj kod]

W zegarze optycznym rolę oscylatora pełni ultrastabilny laser, którego częstotliwość jest dostrajana do bardzo wąskiego przejścia kwantowego w atomie lub jonie[1]. Ponieważ częstotliwości światła są zbyt wysokie, by bezpośrednio zliczać drgania za pomocą klasycznej elektroniki, do porównywania sygnału optycznego z sygnałami z zakresu radiowego używa się grzebienia częstości optycznych[3].

Aby ograniczyć wpływ zakłóceń zewnętrznych, atomy zwykle chłodzi się laserowo i utrzymuje w pułapkach. W praktyce rozwija się dwa główne typy konstrukcji: zegary sieci optycznej z dużą liczbą obojętnych atomów oraz zegary jonowe, w których wykorzystuje się pojedynczy jon lub niewielką ich liczbę w pułapce jonowej[1]. Częstotliwość lasera pełniącego rolę lokalnego oscylatora jest stabilizowana względem przejścia zegarowego w pętli sprzężenia zwrotnego, a końcowa dokładność wymaga kontroli przesunięć systematycznych wywoływanych między innymi przez pola elektryczne i magnetyczne, promieniowanie cieplne otoczenia, ruch atomów oraz warunki panujące w pułapce[1]. W niektórych zegarach jonowych stan jonu odczytuje się przez spektroskopię logiki kwantowej(inne języki), polegającą na sprzężeniu jonu zegarowego z drugim, łatwiejszym do odczytu jonem pomocniczym[4].

Typy i osiągi

[edytuj | edytuj kod]

Do najważniejszych typów realizacji należą zegary wykorzystujące atomy strontu i iterbu w sieci optycznej oraz zegary jonowe oparte między innymi na glinie i rtęci[1]. Zegary sieci optycznej wykorzystują bardzo dużą liczbę atomów, co poprawia statystyczną stabilność pomiaru, natomiast zegary jonowe umożliwiają bardzo precyzyjną kontrolę nad pojedynczym obiektem kwantowym[1].

Dobór atomu lub jonu zależy od własności przejścia zegarowego i możliwości eksperymentalnych. Pożądane są przede wszystkim bardzo wąskie przejścia optyczne, możliwość skutecznego chłodzenia laserowego oraz mała wrażliwość na zaburzenia środowiskowe, takie jak pola zewnętrzne czy promieniowanie cieplne. Znaczenie ma także dostępność laserów o długościach fali potrzebnych do wzbudzania, chłodzenia i odczytu[1][5].

Iterbowy zegar sieci optycznej w NIST. Po lewej widoczny jest piec atomowy, a w centrum komora próżniowa, w której atomy iterbu chwyta się i bada za pomocą laserów.

W najlepszych współczesnych zegarach niepewność systematyczna spada poniżej 10−18[5]. Taka precyzja wystarcza już do wykrywania efektów ogólnej teorii względności związanych z niewielkimi różnicami wysokości w polu grawitacyjnym Ziemi[6].

Historia i rozwój

[edytuj | edytuj kod]

Za kluczowy przełom techniczny w rozwoju zegarów optycznych uznaje się opracowanie femtosekundowych grzebieni częstości, które pozwoliły wiarygodnie połączyć zakres częstotliwości optycznych z mikrofalowym i radiowym[3]. W pierwszych dekadach XXI wieku rozwinięto zarówno zegary sieci optycznej, jak i zegary jonowe. Najpierw dorównały one parametrami najlepszym zegarom cezowym, a następnie je prześcignęły[1][2].

Zegar strontowy w JILA. Niebieski laser wzbudza ultrazimne atomy strontu w pułapce optycznej, a obserwowana fluorescencja pozwala ocenić skuteczność wcześniejszego wzbudzenia czerwonym laserem.

Na początku XXI wieku ważnym kierunkiem stały się zegary sieci optycznej rozwijane między innymi przez zespół Hidetoshiego Katoriego, który zaproponował wykorzystanie sieci optycznej do jednoczesnego unieruchomienia wielu atomów i zmniejszenia części efektów zaburzających pomiar[1]. Równolegle rozwijano precyzyjnie kontrolowane zegary jonowe, dzięki czemu oba typy zegarów zaczęły konkurować o miano najdokładniejszych standardów częstotliwości[1].

W latach 2013–2018 kolejne eksperymenty z zegarami strontowymi i iterbowymi pokazały, że standardy optyczne osiągnęły poziom co najmniej porównywalny z fontannami cezowymi, a następnie osiągnęły niepewność rzędu 10−18; ich stabilność pozwoliła osiągać ten poziom po odpowiednim czasie uśredniania[7][8]. W drugiej połowie dekady rozwijano także trójwymiarowe zegary sieci optycznej oparte na kwantowym gazie Fermiego, które pokazały, jak dalej zwiększać liczbę atomów bez utraty jakości pomiaru[9]. Umocniło to pozycję standardów optycznych jako następców fontann(inne języki) cezowych i otworzyło drogę do zastosowań takich jak geodezja relatywistyczna[6].

Jednym z najważniejszych kierunków rozwoju stało się wykorzystanie zegarów optycznych jako kandydatów do nowej definicji sekundy. Według międzynarodowego planu działania (roadmap) opublikowanego w 2024 roku zastąpienie definicji opartej na przejściu nadsubtelnym cezu definicją opartą na standardach optycznych uznaje się za realny cel na lata 30. XXI wieku[2]. BIPM odnotował zarazem, że standardy optyczne strontowe i iterbowe zaczęły uczestniczyć w kalibracji międzynarodowego czasu atomowego (TAI)[10]. Oficjalne materiały BIPM podkreślają jednak, że redefinicja wymaga jeszcze spełnienia obowiązkowych kryteriów planu działania CCTF, obejmujących między innymi wkład standardów optycznych do TAI oraz zapewnienie odpowiedniego rozpowszechniania nowej definicji[11]. Nadal dyskutuje się też, czy nowa definicja ma się opierać na jednym przejściu optycznym, czy na kombinacji kilku takich przejść[11]. Zegary optyczne pozostają jeszcze głównie narzędziami badawczymi, ale coraz częściej są też włączane do praktycznej infrastruktury metrologicznej i testów międzylaboratoryjnych[2][10][11]. W czerwcu 2022 roku japoński instytut NICT(inne języki) poinformował, że od sierpnia 2021 roku wykorzystuje zegar sieci optycznej NICT-Sr1 do utrzymywania państwowej skali czasu obok istniejącego systemu zegarów cezowych[12].

Zastosowania

[edytuj | edytuj kod]

Optyczne zegary atomowe rozwija się przede wszystkim jako wzorce czasu i częstotliwości nowej generacji. Znajdują zastosowanie w realizacji i porównywaniu skal czasu, w testach podstawowych teorii fizycznych, w bardzo precyzyjnych pomiarach geodezyjnych oraz jako potencjalne źródło sygnału dla przyszłych systemów nawigacji satelitarnej[6][13]. Rozważa się je także jako podstawę coraz dokładniejszego rozpowszechniania czasu i budowy przyszłych skal czasu opartych na standardach optycznych[2][12]. Niepewności rzędu 10−18, osiągane przez najlepsze zegary optyczne, w uproszczeniu oznaczają, że zegar pomyliłby się o 1 sekundę dopiero po około 30 miliardach lat[14].

Kluczowym zagadnieniem praktycznym jest nie tylko sam zegar, ale także transfer czasu i częstotliwości między odległymi laboratoriami. Obecnie powiązanie z uniwersalnym czasem koordynowanym (UTC) realizuje się przeważnie za pomocą technik GNSS, które dobrze odpowiadają potrzebom najlepszych standardów mikrofalowych, lecz nie pozwalają w pełni wykorzystać możliwości najlepszych zegarów optycznych[11]. Z tego powodu rozwija się światłowodowe łącza optyczne do porównań na duże odległości, sprawdzone już w skali kontynentu, na odległościach rzędu 1000 km, a także techniki dwukierunkowe, transportowalne zegary oraz rozwiązania satelitarne i kosmiczne do przyszłych porównań międzykontynentalnych[11][13].

Takie łącza są potrzebne zarówno do szerszego udziału zegarów optycznych w tworzeniu międzynarodowego czasu atomowego (TAI) i przyszłych realizacjach UTC(k), jak i do rozpowszechniania sygnału czasu użytkownikom spoza krajowych laboratoriów metrologicznych[2][11]. W latach 20. XXI wieku rozwijano również lokalne sieci wielu zegarów optycznych oraz bardziej przenośne konstrukcje, co ma znaczenie dla porównań prowadzonych w laboratoriach metrologicznych i dla przyszłych zastosowań poza klasycznym laboratorium[15][13].

W Polsce

[edytuj | edytuj kod]
Stanowisko w Krajowym Laboratorium FAMO w Toruniu, związane z pracami nad optycznym zegarem atomowym.

Pod koniec 2014 roku w Krajowym Laboratorium FAMO złożono pierwszy w Polsce optyczny zegar atomowy oparty na atomach strontu w sieci optycznej, a w lutym 2015 publicznie poinformowano o uruchomieniu układu w ramach projektu „Budowa Polskiego Optycznego Zegara Atomowego” (POZA)[16][17][18]. Był to układ dwóch zegarów wykorzystujących ultrazimne atomy strontu, zbudowany we współpracy UMK, Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Jagiellońskiego[18].

W latach 2022–2024 UMK, AGH, UJ i UW realizowały projekt „Struktura rozproszonego optycznego zegara atomowego dla ogólnokrajowej metrologii częstotliwości”, obejmujący przygotowanie światłowodowego transferu sygnału optycznego między FAMO w Toruniu a kampusem GUM w Kielcach[19].

Zobacz też

[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

[edytuj | edytuj kod]
  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Andrew D. Ludlow, Martin M. Boyd, Jun Ye, Ekkehard Peik, Piet O. Schmidt. Optical atomic clocks. „Reviews of Modern Physics”. 87 (2), s. 637–701, 2015. DOI: 10.1103/RevModPhys.87.637. (ang.).
  2. 1 2 3 4 5 6 N Dimarcq i inni, Roadmap towards the redefinition of the second, „Metrologia”, 61 (1), 2024, s. 012001, DOI: 10.1088/1681-7575/ad17d2 (ang.).
  3. 1 2 Tara Fortier, Esther Baumann, 20 years of developments in optical frequency comb technology and applications, „Communications Physics”, 2 (1), 2019, s. 153, DOI: 10.1038/s42005-019-0249-y (ang.).
  4. ↑ P. O. Schmidt, T. Rosenband, C. Langer, W. M. Itano, J. C. Bergquist, D. J. Wineland. Spectroscopy Using Quantum Logic. „Science”. 309 (5735), s. 749–752, 2005-07-29. DOI: 10.1126/science.1114375. (ang.).
  5. 1 2 Mason C. Marshall; Daniel A. Rodriguez Castillo; Willa J. Arthur-Dworschack; Alexander Aeppli; Kyungtae Kim; Dahyeon Lee; William Warfield; Joost Hinrichs; Nicholas V. Nardelli; Tara M. Fortier; Jun Ye; David R. Leibrandt; David B. Hume. High-Stability Single-Ion Clock with 5.5×10^-19 Systematic Uncertainty. „Physical Review Letters”. 135 (3), s. 033201, 2025. DOI: 10.1103/hb3c-dk28. PMID: 40758035. (ang.).
  6. 1 2 3 W. F. McGrew; X. Zhang; R. J. Fasano; S. A. Schäffer; K. Beloy; D. Nicolodi; R. C. Brown; N. Hinkley; G. Milani; M. Schioppo; T. H. Yoon; A. D. Ludlow. Atomic clock performance enabling geodesy below the centimetre level. „Nature”. 564 (7734), s. 87–90, 2018-12-06. DOI: 10.1038/s41586-018-0738-2. (ang.).
  7. ↑ B.J. Bloom i inni, An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10^−18 level, „Nature”, 506 (7486), 2014, s. 71–75, DOI: 10.1038/nature12941, PMID: 24463513 (ang.).
  8. ↑ T.L. Nicholson i inni, Systematic evaluation of an atomic clock at 2 × 10^-18 total uncertainty, „Nature Communications”, 6, 2015, s. 6896, DOI: 10.1038/ncomms7896, PMID: 25898253 (ang.).
  9. ↑ Sara L. Campbell; R. B. Hutson; G. E. Marti; A. Goban; N. Darkwah Oppong; R. L. McNally; L. Sonderhouse; J. M. Robinson; W. Zhang; B. J. Bloom; J. Ye. A Fermi-degenerate three-dimensional optical lattice clock. „Science”. 358 (6359), s. 90–94, 2017. DOI: 10.1126/science.aam5538. PMID: 28983047. (ang.).
  10. 1 2 Record number of frequency standards contribute to International Atomic Time. Bureau International des Poids et Mesures, 2021-12-21. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2026-02-25)]. (ang.).
  11. 1 2 3 4 5 6 Frequently Asked Questions concerning the Redefinition of the Second. Bureau International des Poids et Mesures. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2025-11-08)]. (ang.).
  12. 1 2 The World's First Use of an Optical Lattice Clock to Keep National Standard Time. National Institute of Information and Communications Technology, 2022-06-20. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2025-04-21)]. (ang.).
  13. 1 2 3 Thilo Schuldt i inni, Optical clock technologies for global navigation satellite systems, „GPS Solutions”, 25 (3), 2021, s. 83, DOI: 10.1007/s10291-021-01113-2 (ang.).
  14. ↑ Aleksandra Gadomska: Sekunda – co nowego?. Główny Urząd Miar. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2026-04-16)]. (pol.).
  15. ↑ Xin Zheng; Jonathan Dolde; Varun Lochab; Brett N. Merriman; Haoran Li; Shimon Kolkowitz. Differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock. „Nature”. 602 (7897), s. 425–430, 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04344-y. PMID: 35173344. (ang.).
  16. ↑ Pierwszy polski zegar optyczny działa w Toruniu (aktl.). Nauka w Polsce, 2015-02-17. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2026-04-16)]. (pol.).
  17. ↑ Polski Optyczny Zegar Atomowy w Toruniu. Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2026-04-16)]. (pol.).
  18. 1 2 Polski optyczny zegar atomowy. Instytut Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2026-04-16)]. (pol.).
  19. ↑ Polska Metrologia. „Struktura rozproszonego optycznego zegara atomowego dla ogólnokrajowej metrologii częstotliwości”. Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu. [dostęp 2026-04-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2025-10-09)]. (pol.).
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Optyczny_zegar_atomowy&oldid=80854525”