Ure på Jorden tikker lidt mere regelmæssigt takket være NIST-F4, et nyt atomur ved National Institute of Standards and Technology (NIST) campus i Boulder, Colorado.
Denne måned offentliggjorde NIST -forskere en artikel i Metrologia Etablering af NIST-F4 som en af verdens mest nøjagtige tidtagere. NIST har også indsendt uret til accept som en primær frekvensstandard af International Bureau of Weights and Measures (BIPM), det organ, der fører tilsyn med verdens tid.
NIST-F4 måler en uforanderlig frekvens i hjertet af cæsiumatomer, det internationalt aftalte grundlag for at definere det andet siden 1967. Uret er baseret på et “springvand” -design, der repræsenterer guldstandarden for nøjagtighed i tidtager. NIST-F4 flåter i en sådan stabil sats, at hvis det var begyndt at køre for 100 millioner år siden, da dinosaurier strejfede, ville det være slukket med mindre end et sekund i dag.
Ved at tilslutte sig en lille gruppe af lignende eliteurer, der drives af kun 10 lande over hele verden, gør NIST-F4 grundlaget for den globale tid mere stabilt og sikkert. På samme tid hjælper det med at styre urene, som NIST bruger til at holde officiel USA -tid. Distribueret via radio og internettet er officiel USA -tid kritisk for telekommunikation og transportsystemer, økonomiske handelsplatforme, datacenteroperationer og mere.
NIST-F4 har forbedret tidssignaler, der “bruges bogstaveligt talt milliarder af gange hver dag til alt fra at indstille ure og ure til at sikre den nøjagtige tidsstempling af hundreder af milliarder dollars elektroniske finansielle transaktioner,” sagde Liz Donley, chef for tid og frekvensafdeling ved NIST.
En særlig slags ur
Cesium-springvandurs, såsom NIST-F4, er en type atomur-en kompleks enhed med høj præcision, der udtrækker timingimpulser fra atomer. Disse ure spiller en kritisk rolle i vores globalt tilsluttede samfund: De tjener som “primære frekvensstandarder”, der arbejder sammen for at kalibrere koordineret universel tid eller UTC (et aftalt system til at holde tid ved hjælp af data fra atomur rundt om i verden, kendt som en tidsskala).
Nationale målelaboratorier såsom NIST producerer og distribuerer versioner af UTC ved hjælp af deres egne tidsskalaer; NISTs version er for eksempel kendt som UTC (NIST). Disse nationale tidsskalaer bruges derefter til at synkronisere de ure og netværk, vi stoler på i vores daglige liv.
I fyldtur afkøles en sky af tusinder af cæsiumatomer først til næsten absolut nul ved hjælp af lasere. Derefter kaster et par laserstråler atomerne forsigtigt opad, hvorefter de falder ind under deres egen vægt.
Under deres rejse passerer atomerne to gange gennem et lille kammer fuld af mikrobølgestråling. Første gang, da atomerne er på vej op, sætter mikrobølgerne atomerne i en kvantetilstand, der cykler i tide ved en speciel frekvens kendt som cesiumresonansfrekvensen – et uforanderligt konstant sat af naturlovene.
Cirka et sekund senere, når atomerne falder tilbage, afslører en anden interaktion mellem mikrobølgerne og atomerne, hvor tæt urets mikrobølgefrekvens er for atomernes naturlige resonansfrekvens. Denne måling bruges til at indstille mikrobølgefrekvensen mod atomresonansfrekvensen.
En detektor tæller derefter 9.192.631.770 bølgecyklusser af de finjusterede mikrobølger. Den tid det tager at tælle disse cyklusser definerer den officielle internationale anden.
(Det kan ændre sig allerede i 2030, hvor nationer planlægger at overveje at omdefinere den anden med hensyn til et eller flere forskellige atomelementer, der bruges i såkaldte optiske ure, der kan måle tid endnu mere præcist end fondonure kan. Selv efter vil Cesium-springvandsurer stadig spille en vigtig, skønt formindsket, rolle i tidstagning.)
En rejse år i skabelsen
Færre end 20 cesium springvand opererer overalt i verden. I modsætning til kommercielt tilgængelige atomur, der markerer sekunder for internetdatacentre, aktiemarkeder og andre private virksomheder, er næsten alle springvandur bygget og drives af forskere i et nationalt målelaboratorium som NIST.
“Det er en smuk teknologi, der har reelle præstationsfordele, men det er meget delikat,” sagde Greg Hoth, en NIST -fysiker på Fountain Clock -teamet.
At få NIST-F4 optaget i denne sjældne klub var en rejseår i skabelsen. NIST-forskere byggede agenturets første springvand, NIST-F1, i slutningen af 1990’erne. NIST-F1 løb i mere end halvandet årti og blev brugt til at udføre regelmæssige frekvenskalibreringer. Men fyldeur kan være lige så skrøbelige som de er præcise, og efter en flytning til en ny bygning i 2016 måtte uret gendannes og omhyggeligt testes for at fungere som en primær frekvensstandard igen – en proces, der tog længere tid end forventet.
I 2020 begyndte fysikeren Vladislav Gerginov at undersøge NIST-F1s frekvensmålinger. Til sidst besluttede han, Hoth og kolleger at genopbygge kernen i uret – mikrobølgehulen, hvor cesiumatomerne måles – fra ridse. For at opnå den nødvendige præcision var de nødvendige for at opnå tolerancer over 5 til 10 mikron-stærkt en femtedel af bredden af et menneskehår.
Forskerne tilføjede og finjusterede nye elektriske opvarmningsspoler, magnetiske spoler, optik og mikrobølgekomponenter. NIST-teamet besluttede at navngive den nye Fountain NIST-F4. (NIST har bygget to andre springvandur, NIST-F2 og NIST-F3, hvilket gør NIST-F4 til det fjerde i serien.)
Forskningsteamet tog måneders målinger værd for at sikre, at NIST-F4 ikke blev smidt af af faktorer som tryk og temperatursvingninger eller omstrejfende elektriske og magnetiske felter. De sammenlignede springvandets flåter med dem fra brintmødre – arbejdshesten atomur, der markerer sekunder for officiel USA -tid – for at sikre sig, at de holdt en stabil, uforanderlig beat.
“Fountainure skal være meget kedelige,” sagde Hoth.
Evaluering af et springvandskur som NIST-F4 “er en langsom proces, fordi vi skal være meget konservative,” sagde Gerginov. “Vi burde vide alt om det”, før han tjente det, sagde han, fordi enhver fejl i timingssignaler ikke kun kunne ødelægge os tid, men også den globale tidsformidlingsinfrastruktur.
Denne måned rapporterede NIST-teamet, at NIST-F4s frekvensmålinger var nøjagtige inden for 2,2 dele i 10 til 16. (10 millioner milliarder)-sammenlignelig med verdens bedste springvandur. NIST -teamet sendte også uret til BIPM, hvor et team af eksperter kontrollerer dem, før BIPM officielt certificerer uret som en primær frekvensstandard.
“Succesen med NIST-F4 har fornyet NISTs globale ledelse inden for primære frekvensstandarder,” sagde Donley. “Vladi og Greg brugte opfindsomhed og dygtighed til at gendanne den pålidelige drift i verdensklasse af NISTs atomiske springvand.”
NIST-F4 og et andet springvand, NIST-F3, driver cirka 90% af tiden, med mindst et af urene, der kører på et givet tidspunkt. Data fra NIST-F4 sendes med jævne mellemrum til BIPM for at kalibrere UTC, og begge ure hjælper allerede med at styre NIST Time Scale UTC (NIST).
NIST -tidsskalaen “har allerede draget fordel af springvandets høje oppetid og pålideligheden af dens præstation,” sagde Donley.