Tässä on maailman tarkin kello: jätättäisi sekunnin 14 miljardissa vuodessa

 

Joukko tutkijoita esitteli keskiviikkona maailmalle maailman toistaiseksi tarkimman kellon, kertoo Technology Review. Koska yksittäisellä kellolla ei voi mitata sen omaa jätättämistä tai edistämistä, kyseessä on itse asiassa kaksi samanlaista kelloa, joiden aikavirhe toisiinsa nähden on tarkistettu.

Maailman tarkin kello toimii tarkkuudella 10-18: yhdessä sekunnissa se jätättää vain attosekunnin eli sekunnin triljoonasosan (mikä on sama kuin miljardisosan miljardisosa). Tarkkuus on sitä luokkaa, että jos vastaava kello olisi käynyt maailmankaikkeuden syntyhetkestä tähän päivään, se olisi jätättänyt koko 14 miljardin vuoden aikana alle sekunnin.

Voitettavana Dopplerin ja Starkin ilmiöt

Äärimmäisen tarkka ajan mittaaminen on nykymaailmassa tärkeää muun muassa siksi, että tarkka paikantaminen ja maailmanlaajuiset tietoverkot olisivat mahdottomia ilman niitä. Tämä toki on onnistunut ilman uutuuskelloakin, mutta tutkijat arvelevat sitä voitavan käyttää tekemään aiempaa virheettömämpää tutkimusta esimerkiksi hydrologian ja geologian alalla sekä ilmastotutkimuksessa jäätiköiden koon muutosten seurannassa.

Tämä perustuu siihen, että ajan mittaamisen lisäksi kello soveltuu korkeuden mittaamiseen painovoiman muutoksen avulla. Yksinkertaistettuna kellon toiminta perustuu siihen, että sekunti voidaan määritellä yhden atomin säteilemän valon taajuuden avulla, kun elektronit siirtyvät energiatasolta toiselle.

Tämänkaltaisissa atomikelloissa on tarkkuuden kannalta yleensä vaikeutena Dopplerin ilmiö, joka muuttaa taajuutta aavistuksen verran atomin liikkeiden vuoksi. Lisää epätarkkuutta tuo niin sanottu Starkin ilmiö, jossa atomin säteilemä energiaspektri jakautuu ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta useaan osaan.

Säleikkö pitää atomit paikallaan kuin kananmunat kennossa

Nyt National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijat Coloradon Boulderissa Yhdysvalloissa lähtivät ratkomaan tarkkuusongelmaa niin sanotun optisen säleikön avulla. He heijastivat peilin kautta lasersäteen, joka muodostuu seisovaksi valoaalloksi. Tästä seisovasta aallosta saadaan valosäleikkö, joka nappaa atomit tiukkaan syleilyyn.

Tutkijat vertaavat säleikköä kananmunakennoon, joka pitää munat paikoillaan kennoa heiluteltaessakin. Sitten säleikköön lisätään ytterbiumatomeja, joita ammutaan toisella laserilla elektronien siirtymätaajuuden mittaamiseksi.

Säleikkö pitää atomit miltei paikoillaan ja estää Dopplerin ilmiötä. Starkin ilmiötä estetään ytterbiumin ”maagisella” elektronisiirtymällä, jossa molempia elektronitiloja muutetaan täsmälleen saman verran, jolloin atomin valosäteilytaajuus säilyy muuttumattomana.

Koska samaan säleikköön saadaan useita ytterbiumatomeja, on mahdollista saada mittaamalla yhtä atomia selvempi signaali ja käyttää järjestelmää äärimmäisen tarkkana kellona. Kello on niin herkkä, että sillä voidaan mitata niin sanottua painovoiman punasiirtymää ja tämän avulla korkeutta.

Toistaiseksi tarkimmat kellot ovat pystyneet mittaamaan korkeuden muutoksia useiden metrien tarkkuudella, mutta uutuuskellolla korkeutta voi mitata melko lähellä maankamaraa noin senttimetrin tarkkuudella. Juuri tätä voi hyödyntää esimerkiksi jäätikkömittauksissa.

Kellosta on julkaistu vertaisarvioimaton tieteellinen verkkoartikkeli.

Lähde: Teknniikka & Talous

heikki