Kisebbek lesznek az atomórák

Egy új módszernek köszönhetően mikroméretűre zsugoríthatók a jelenleg fridzsiderre hasonlító atomórák, a cézium uralmát pedig az alumínium törheti meg.

A világ legpontosabb atomórái az Egyesült Államok Nemzeti Szabvány- és Technológiaügyi Intézetének (NIST) tulajdonában vannak. Ezek az atomórák az úgynevezett "cézium szökőkutak", amik cézium atomfelhőket küldenek át egy mágneses mezőben elhelyezkedő vákuum-kamrán. A nagy atomok, mint a cézium és az alumínium, többszörös energiaszintekkel rendelkeznek, melyek olyan közel esnek egymáshoz, hogy szinte megkülönböztethetetlenek. A mágneses mező két "hiperfinom" állapotra bontja ezeket a szinteket.

A kamrát mikrohullámok járják át, ezek gerjesztik az atomokat, amik fényt bocsátanak ki, amikor az alacsonyabb hiperfinom állapotba süllyednek. A fluoreszkálást maximalizáló mikrohullámú frekvencia határozza meg egy másodperc hosszát, ami a maximális intenzitáshoz tartozó mikrohullámú frekvencia periódusidejének 9.192.631.770-szerese, ezt alakítja egy megfelelő elektronika másodpercekké, percekké, napokká.

A mérés egy hatalmas vákuum-kamrában zajlik, ezért a cézium szökőkutak vaskos szerkezetek, méretük egy köbméter körül mozog, ami jelentős nehézségeket gördít a mágneses mező, valamint az eszköz teljes területén az egységes hőmérséklet fenntartása útjába, ami mérési pontatlanságokhoz vezethet.

Éppen ezért állt elő a Nevadai Egyetem két kutatója, Andrej Derevianko és Kyle Beloy az atomok csapdába ejtésének ötletével, amit lézerek alkalmazásával oldanának meg, így az atomok energia állapotai mindössze pár mikrométer átmérőjű területen is megfigyelhetővé válnának, a kis tér pedig pontosabb méréseket is eredményezne. A módszer persze nem olyan egyszerű, mint a fentebb leírtakból kitűnhet, a lézerek ugyanis egészen bonyolult módon torzítják egy atom energiaszintjeit, lehetetlenné téve egy másodperc meghatározását.

Derevianko és munkatársai azonban megtalálták a megoldást egy olyan lézerfrekvencia felfedezésével, ami mindkét hiperfinom állapotot pontosan ugyanolyan mértékben változtatja. A trükk kiválóan alkalmazható az alumínium és a gallium atomok esetében, a céziummal azonban nem működik tökéletesen. "A szintek közötti energiakülönbség ugyanakkora, mintha az atomok vákuumban lennének" - magyarázta Derevianko. A módszer alkalmazásával a csapat számítása szerint egy másodperc 1506 millió mikrohullám ciklus az aluminium-27, illetve 2678 millió ciklus a gallium-69 esetében.

Bár az atomoknak elég a néhány mikrométeres terület, a lézerek, a hűtő- és számítási berendezések mind jelenlegi méreteikkel járulnak hozzá a végleges mérethez. A csapat szerint így is jelentős előrelépést érnek majd el, az órák szállíthatóvá válnak és alkalmazhatók lesznek az űrbeli kísérletekhez, melyeknél elengedhetetlenek a pontos időzítés vagy időmérés, vegyük csak az Einstein elméleteit igazolandó gravitációs hullám észleléseket.

Tom Heavner, a terület szekértője, aki maga is cézium szökőkutakkal dolgozik, eredetinek és jövőbe mutatónak nevezte a megoldást. "Ez egy nagyon okos módja a régi típusú órák és az új lézer technológia összeolvasztásának" - mondta.