náhled|Atomové cesiové hodiny, též nazývané cesiová fontána
Atomové hodiny jsou přesné hodiny, které měří čas na základě rezonanční frekvence atomů.
Atomové hodiny (respektive iontové hodiny) jsou druh hodin, které používají atomové rezonance jako standardu. Jejich přesnost je taková, že se rozcházejí maximálně o sekundu za 300 milionů let.
Historie Isidor Isaac Rabi roku 1944 získal Nobelovu cenu za objev metody měření magnetických vlastností atomů, částic jádra a molekul. Princip této metody je založen na měření jaderného spinu. Roku 1945 byla veřejně navržena možnost sestrojit atomové hodiny (kosmické kyvadlo).http://tf.boulder.nist.gov/general/pdf/2917.pdf - The first public suggestion of an atomic clock První atomové hodiny byly postaveny v roce 1949 v USA (čpavkový maser). Hodiny dále zdokonalil Norman Foster Ramsey. První přesné cesiové atomové hodiny byly postaveny Louisem Essenem v roce 1955 v National Physical Laboratory v Anglii.
Základem je kmitání molekul plynného čpavku, resp. atomů cesia. Vibrace těchto atomů je rychlejší (GHz) a stabilnější ve srovnání s křemenným krystalem, takže je možno dosáhnout větší přesnosti. Objev principu atomových hodin položil základy pro novou definici času. Přesto se zpočátku setkal s odmítavou reakcí astronomů a pro novou definici bylo více kandidátů (ještě například vodík či thallium).http://www.leapsecond.com/history/1981-essen-leap-second.htm - Leap seconds, Story of the transfer from astronomical to atomic time, by L. Essen, D.Sc., F.R.S. Od roku 1967 je 1 sekunda oficiálně definována jako 9 192 631 770 kmitů atomů cesia. Do té doby byla charakterizována jako 1/86 400 středního slunečního dne. Koncem 20. století byla vylepšena jejich konstrukce (fontána zchlazených atomů), která dále umožnila zpřesnit jejich chod. Mezinárodně uznávaným standardem pro určování času se staly atomové hodiny v roce 1963.
V současnosti se vyvíjejí optické hodiny (pracující na frekvenci THz) jejichž přesnost měření je již lepší, ale nejistota měření času být lepší nemůže (do přijetí nové definice jednotky času) v důsledku definice sekundy vázané na atomy cesia.
Princip cesiových hodin Cesiové atomové hodiny fungují na základě zpětnovazební smyčky. Základ tvoří krystalový oscilátor, jehož frekvence je elektronicky řízena. Tento krystalový oscilátor je připojen na vysílač radiových vln, nasměrovaný do komory s atomy cesia v plynné atmosféře. Když dojde ke shodě frekvence oscilátoru (a tedy i vysílače) s vnitřní rezonanční frekvencí atomů cesia, přejdou tyto do excitovaného stavu. Excitované atomy cesia reagují odlišně na magnetické pole než neexcitované, a s pomocí magnetů tedy dojde k jejich detekci. Dle množství excitovaných atomů cesia je možno ladit frekvenci krystalového oscilátoru, aby se shodovala s rezonanční frekvencí atomů cesia, tj. 9 192 631 770 Hz.
I přes stálé technologické modernizace, vedoucí k lepší přesnosti a stabilitě, cesiový standard postupně překonávají atomové hodiny založené na nových principech, využívajících přechody v atomech, iontech či atomových jádrech, odpovídající řádově vyšším frekvencím.
Optické atomové hodiny Jako ještě slibnější se jeví nové typy tzv. optických atomových hodin, tedy hodin založených na kvantových přechodech s energiemi odpovídajícími frekvencím spektrálního pásma viditelného či ultrafialového záření, u kterých proběhne za 1 sekundu o zhruba 4 až 6 řádů více oscilací a potenciálně tak umožňují řádově vyšší přesnosti než nejpřesnější hodiny cesiové. Mohou to být optické atomové hodiny založené na přechodu v iontu ytterbia 171Yb+The tick-tock of the optical clock. PhysOrg, 29. březen 2012. Dostupné online (anglicky), stroncia 88Sr+, vápníku 40Ca+, rtuti 199Hg+ či hliníku 27Al+,CCTF Strategy Document, květen 2016 Dostupné online (PDF) (anglicky) případně vysoce nabitého iontu niklu Ni12+.
Jinou slibnou metodou je využití přechodů v neutrálních atomech v optické mřížce, tedy zachycených v potenciálu stojaté elektromagnetické vlny ze dvou protichůdných laserových paprsků. Limitující fundamentální (neodstranitelná) kvantová nepřesnost tak může být zredukována zprůměrováním a zvýšena tak stabilita a přesnost.WOGAN, Tim. New atomic clock sets the record for stability. PhysicsWorld.com, 27. srpen 2013. Dostupné online (anglicky) Mohou to být hodiny využívající přechodu v atomech stroncia 87Sr, ytterbia 171Yb či rtuti 199Hg.Optical strontium clock to become much more accurate (popularizační článek k předchozí referenci). Phys.Org, 9. leden 2013. Dostupné online (anglicky)NIST ytterbium atomic clocks set record for stability. PhysOrg, 22. srpen 2013. Dostupné online (anglicky)The atomic clock with the world's best long-term accuracy is revealed after evaluation, PhysOrg, 26. srpen 2011 (anglicky)
Technologie se nadále vyvíjejí a několikrát za rok jsou publikovány zprávy o dosažení vylepšené přesnosti či stability optických atomových hodin různých typů, jakož i o pokroku v jejich snazší konstrukci, lepší odolnosti proti vnějším vlivům, transportovatelnosti apod. Vytvářejí se tak předpoklady pro připravovanou redefinici sekundy jakožto klíčové základní jednotky soustavy SI z cesiového standardu na nový, reflektující vyšší dosažitelné přesnosti v metrologii času a frekvence.
Jaderné hodiny Od r. 2011 je znám princip tzv. jaderných hodin, založených na přechodu mezi energetickými stavy jádra iontu thoria, který by umožňoval dosažení ještě řádově nižší nepřesnosti.Campbell C. J., Radnaev A. G., Kuzmich A., Dzuba V. A., Flambaum V. V., Derevianko A.: A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place. ArXiv:1110.2490v1, 11. října 2011 (anglicky)Bob Yirka: Research team shows nuclear clock could be 60 times more accurate than atomic clock. PhysOrg, 9. listopadu 2011 (anglicky) – popularizační článek k předchozí referenciBob Beale: Proposed nuclear clock may keep time with the Universe. PhysOrg, 8. března 2012 (anglicky) Jaderné hodiny mají i další výhody. Jsou ze své podstaty robustnější než atomové, protože jádro a jeho energetické přechody jsou méně citlivé k vnějšímu rušení než jsou přechody v orbitálních elektronech u atomových hodin. V r. 2024 již byly zkonstruovány všechny důležité technické prvky nutné pro plně funkční jaderné hodiny, které by principiálně mohly dosáhnout stability 10−20, tedy nepřesnosti pouhých 10 ms za celý předpokládaný věk vesmíru (14 mld let), a byl zkonstruován první jejich prototyp. I u jaderných hodin vývoj rychle postupuje a jsou ověřovány nové technologie k jejich konstrukčnímu zjednodušení.
Jaderné hodiny na bázi jádra thoria-229 byly sestaveny a spuštěny poprvé v červnu 2026, a to nezávisle dvěma vědeckými týmy, z čínské Tsinghua University a z rakouského Vienna Center for Quantum Science and Technology.
Použití Atomové hodiny se používají při kontrole jiných hodin a pro vědecké účely ve hvězdárnách, v laboratořích, jsou umístěny na palubách družic navigačních systémů. Pracuje s nimi také NASA, která je využívá pro určování polohy vesmírných plavidel. Systém funguje tak, že hodiny počítají, jak dlouho letí signál ze země na daný objekt a zpět. Výsledek je pak zaslán zpět k plavidlu. Nově NASA také testuje speciální atomové hodiny nazvané Deep Space Atomic Clock, které mohou být instalovány přímo do vesmírných lodí a pomohou tak celý proces navigace značně zjednodušit. První prototyp je již v provozu, byl vypuštěn na palubě rakety Falcon Heavy 25. června 2019.
Odkazy
Reference
Externí odkazy
Vše o času Nejmenší atomové hodiny Jak fungují atomové hodiny Optical atomic clocks: defining the future of time and frequency metrology – přehledová studie o aktuálním (začátek r. 2026) stavu vývoje optických atomových hodin
Kategorie:Hodiny