Atomuhren werden noch genauer

Aktualisiert am Samstag, den 15. Juni um 3:38 Uhr ET.

Das ultimative Accessoire in genaue Zeitmessung – die Atomuhr – soll sich noch genauer nach ultrakurzer Laserpulse über Open-Air zu helfen, die "tickt" der neuen optischen Atomuhren synchronisieren erfolgreich übertragen wurden.

Die extrem genaue Uhrzeit ist nicht nur eine Frage der wissenschaftlichen Leistung. Es ist ein Schlüssel zu vielen modernen Technologien von Global Positioning Systems (GPS) Mobilfunknetze und Sender Sender. Für GPS-Systeme, ein Fehler von nur einer Nanosekunde oder ein Milliardstel einer Sekunde würde bedeuten, dass die Lage ungefähr 12 Zoll (30 Zentimeter) Weg ist.

Um höchste Präzision zu gewährleisten, wird das US-nationale Time standard durch Atomuhren bestimmt. Jetzigen verwenden extrem kalten Cäsium-Atomen, Laser auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Die Cäsium-Atomen werden dann mit Mikrowellen gestrahlt, bis die Atome in einer bestimmten Frequenz vibrieren. Diese Frequenz ist gleich der Energie, die absorbiert wird, wenn die Mikrowellen-Strahlung bewirkt, dass die Cäsium-Atom äußerste Elektron auf eine höhere Umlaufbahn oder 9.192.631.770 Hz zu springen. Wir nennen das "die zweite" ist die Dauer von 9.192.631.770 Perioden dieser Frequenz dann abgeleitet. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

Jetzt werden Physiker neue optische Atomuhren entwickelt, die etwa 100-mal genauer als die mikrowellenbasierte sein könnte. In ähnlicher Weise zu betreiben, sondern verwenden Laserlicht anstelle von Mikrowellen. Laserlicht hat eine viel höhere Frequenz und gibt somit viel bessere Zeitauflösung und viel schnellere Übertragung von Daten.

Zeitmessung Probleme

Vielen nationalen Zeitmessung Laboratorien haben mindestens eine Art von optische Atomuhr,, aber die Definition einer Sekunde noch verlässt sich nicht darauf, teils, weil es noch nicht möglich, alle diese Uhren ticken mit exakt der gleichen Geschwindigkeit zu gewährleisten ist. Optischen Atomuhren sind extrem empfindliche Geräte, und auch nicht alle von ihnen sind vom gleichen Typ. Sie können völlig verschiedene Arten von Atomen mit Hilfe – wie Aluminium-Ionen, Strontium neutral oder Ytterbium Ionen, die sind nur ein paar optische Analoga der Mikrowelle Uhr.

Aber selbst wenn die optischen Uhren in verschiedenen Labors verwenden die gleichen Atomen, die Uhren Genauigkeit hängt davon ab, wie gut die Wissenschaftler die Atome Umgebung steuern, sagte Patrick Gill von der National Physical Laboratory in Großbritannien Faktoren gehören "die Hintergrund-Temperatur, ob gibt es magnetische und elektrische Feld Lärm, auch der genaue Einfluss der Schwerkraft, weil Uhren in unterschiedlichen Höhen verschiedene Lesungen durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie geben."

Um optische Atomuhren als eine gemeinsame globale Zeitskala zu verwenden, übereinstimmen Sie die Zeit auf der Clocksmust. Sicherstellen, dass die Uhren zusammenpassen ist relativ einfach, wenn die Uhren im gleichen Labor neben einander sitzen, Gill sagte, aber ist schwieriger für weit entfernte Uhren.

Derzeit sagte der beste Weg, um optische Uhren zusammenpassen machen durch Weiterleitung der optische Frequenz oder das Licht, um die entfernten Uhr durch das Senden dieser Informationen entlang einer optischen Faser um zu vergleichen die beiden Frequenzen und "sehen, wie gut sie einverstanden sind," Gill. Er fügte hinzu, wenn die Uhren nicht einverstanden sind, müssen Wissenschaftler herauszufinden was die Ursache der Störung und dann Kontrolle für diesen Faktor.

"Das ist absolut vorrangig, wenn wir die optische Uhr-Funktion nutzen wollen," sagte Gill.

Fasern sind jedoch keine ideale Lösung für die abgelegenen und schwer zugänglichen Gebieten.

Keine Kabel mehr

Also beschloss Physikern an das National Institute of Standards and Technology (NIST) in den Vereinigten Staaten entfernt mit Kabeln zu tun. Stattdessen verwendet sie einen Laser, ultrakurzen Infrarot-Impulse mit einer sehr präzisen Rate von 1 Pikosekunde jeden 10 Nanosekunden erzeugen, wo 10 ns entspricht einer bestimmten Anzahl von "Zecken" eine optische Atomuhr.

Das NIST-Team übermittelt die Impulse von einem Speicherort auf einem Spiegel 0,62 Meilen (1 km) entfernt. die Impulse von der Spiegel reflektiert und zurück in Richtung einer dritten Lage nicht weit von der ersten übertragen – effektiv zeigte jedoch möglich, eine sehr präzise tickende Uhr und übertragen die Zecken an einem Speicherort 1,2 Meilen (2 km) entfernt "ohne ihn durcheinander,", sagte Studie Co-Autor Nathan Newbury der NIST Quantum Electronics and Photonics Division. "Der eigentliche Link ist eine Schleife."

Der Test erfolgte über Land, aber schließlich, die Forscher hoffen, es sollte möglich sein, die Impulse über Satelliten übertragen.

In Zukunft könnten optische Atomuhren für satellitengestützte Experimente verwendet werden, um von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu beweisen und Erstellen präziser GPS-Satellitennavigationssysteme, die "im Sinne verbessert werden könnte, dass Sie besser optische stellen Uhren in Satelliten und vernetzen sie optisch," Newbury sagte. [Top 10 Erfindungen, die die Welt veränderten]

"Möglicherweise gibt es ein Argument für die Sicherheit. GPS ist derzeit in dem Sinne, dass Sie es Marmelade können zerbrechlich. Ein System mit einem optischen Backbone ist viel sicherer, da Sie es Marmelade können nicht – optische Systeme sind gerichtet, so dass sie sehr viel schwieriger zu Marmelade, "Newbury hinzugefügt. "Es ist auch, warum optische Signale sind härter zu senden und zu empfangen, da musst du an der richtigen Stelle zu zeigen."

Atmosphärische Störungen

Atmosphärischen Turbulenzen ist eine Hürde optische Uhren klar, als die Moleküle in der Luft, in einigen Fällen kann ein optisches Signal aufzubrechen und zu einem Timing-Fehler führen.

"Unser System nicht durch Link-Länge beschränkt soweit Präzision angeht, aber natürlich zu einem bestimmten Zeitpunkt kann Turbulenzen die Verbindung unterbrechen,", sagte Studienautor Blei Fabrizio Giorgetta, auch von NIST. "Gibt es dichter Nebel, es gibt nichts, was wir tun können." Aber bei Wind oder Regen, fügte er hinzu, ein so genannte rühren Spiegel hilft, um die Turbulenzen zu korrigieren.

Gill von der National Physical Laboratory in Großbritannien, der nicht in der Forschung beteiligt war, forderte die Studie "ein guter Ausgangspunkt" für eine alternative Methode zur optischen Fasern präzise optische Atomuhren. Wenn die optische Methode funktioniert, könnte die Glocke für die Mikrowelle-basierte Atomuhren Maut.

Teil von DARPA finanziert, war die Studie Detailedin der Zeitschrift Nature Photonics.

Anmerkung der Redaktion: dieser Artikel wurde auf richtige Frequenz Einheiten von 9.192.631.770 GHz bis 9.192.631.770 Hz aktualisiert.

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