OPTYCZNY ZEGAR ATOMOWY

W czym tkwi wyjątkowość optycznych zegarów atomowych? Otóż wykorzystują one drgania optyczne, które są 40 000 razy szybsze niż drgania wykorzystywane w konwencjonalnych zegarach atomowych. O tyle też zwiększa się ich dokładność. Mamy teraz superdokładny wzorzec częstości, którym można synchronizować najdokładniejsze zegary. To jest przełom w metrologii. - wyjaśnia dr hab. Roman Ciuryło, dyrektor KL FAMO w Toruniu. - "Punktualność" takiego zegara to 10^-15 sekundy osiągana już po 10 minutach. Oznacza to tyle, że zegar spóźni się zaledwie o sekundę po około 31 milionach lat - to niewyobrażalna dokładność.

Optyczny zegar atomowy to wyrafinowane połączenie elektroniki, komputerów, aparatury próżniowej, laserów i setek elementów optycznych. Na świecie zaledwie kilka ośrodków naukowych posiada zegary optyczne podobne do toruńskiego (USA, Japonia, Niemcy, Francja). Prace nad jego skonstruowaniem rozpoczęły się w 2008 roku i były prowadzone w ramach kierowanego przez prof. Czesława Radzewicza z Uniwersytetu Warszawskiego projektu pn. "Polski Optyczny Zegar Atomowy (POZA)" finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Do powstania zegara przyczyniły się trzy polskie ośrodki naukowe. Na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie powstał pierwszy wzorzec atomowy wykorzystujący ultrazimne atomy strontu, na Uniwersytecie Warszawskim - optyczny grzebień częstości. Na UMK w Toruniu zbudowano drugi wzorzec atomowy i ultrastabilny laser. Poza tym w Instytucie Fizyki UMK w listopadzie ubiegłego roku połączono wszystkie podzespoły, konstruując nie jeden, a dwa optyczne zegary, co pozwoliło dodatkowo na sprawdzenie poprawności ich działania.

Mamy niezwykle dokładny zegar, ale do czego może on służyć? Oczywiście, do pomiarów. - Coraz więcej jednostek fizycznych, na przykład metr, opartych jest na pomiarze częstotliwości. Im dokładniej metrolodzy są w stanie zdefiniować sekundę, tym dokładniej będą zdefiniowane także pozostałe jednostki - mówi dr hab. Michał Zawada z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. - Optyczne zegary atomowe to nie tylko podstawowe standardy częstotliwości w najbliższej przyszłości. Mają też inne niż metrologiczne zastosowania. Naukowcy mogą synchronizować swoje superdokładne urządzenia badawcze (np. spektrometry) z naszym zegarem optycznym, mogą też za ich pomocą sprawdzać np. czy stałe fizyczne są naprawdę niezmienne, prowadzić obserwacje astrofizyczne, badać ciemną materię oraz testować teorię względności. Prawdopodobna jest również zmiana obowiązującej od 1967 roku definicji sekundy, która obecnie oparta jest na atomach cezu w zwykłych zegarach atomowych.

Optyczne zegary atomowe to przełom w metrologii. Potencjalnie można je wykorzystać w geodezji, np. w dokładnym mapowaniu potencjału grawitacyjnego Ziemi, w celu poszukiwań złóż mineralnych, ropy naftowej i wód podziemnych. Innymi ich przyszłymi zastosowaniami mogą być ulepszenia systemów nawigacji satelitarnej np. GPS oraz poprawa działania sieci telekomunikacyjnych.