Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 43 – vyšlo 1. listopadu, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

43/2019

Atomové hodiny útočí na optické frekvence

Petr Kulhánek

Současné technologie jsou mnohdy závislé na extrémně přesném měření času. Dosavadní časový standard UTCUTC – Universal Time Coordinated, univerzální koordinovaný čas. Časová stupnice získaná průměrováním měření mnoha desítek cesiových atomových hodin pracujících v řadě metrologických laboratořích po celém světě. Od ní je odvozen občanský pásmový čas a také známé časové signály šířené rozhlasovým vysíláním. je založen na globální síti cesiovýchCesium – Caesium, chemický prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Cesium je měkký (měkkčí než vosk), lehký a zlatožlutý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od ostatních alkalických kovů je spolu s rubidiem těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Cesium bylo objeveno roku 1860 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. atomových hodin, průměrováním jejich „tikotu“ je získáván časový signál. Cesiové hodiny fungují v mikrovlnné oblasti na frekvenci 9 GHz. Dlouhodobou snahou je vyvinout atomové hodiny v optické oblasti, tj. na terahertzových frekvencích, které by umožnily vyšší přesnost časového signálu. Bohužel s sebou změna frekvence přináší řadu problémů. Časový signál není možné odečítat trvale, mezi měřeními je tzv. „mrtvý čas“, měření jsou zatížena Dickovým šumemDickův jev – změna sledované průměrné frekvence pasivního frekvenčního standardu způsobená interakcí s měřícím zařízením, které v pravidelných cyklech měří frekvenci oscilátoru. Měřící zařízení je zpravidla realizováno jako zpětnovazební smyčka, která měří a průměruje frekvenci oscilátoru v nějakých cyklech. Do měření zanáší šum v okolí periody měřících cyklů a jejích vyšších harmonických. Šum se přenáší do samotného oscilátoru a ovlivňuje měřenou hodnotu. Dickův jev je největším omezením pro stabilitu frekvenčního zdroje. Objevil ho George John Dick z Kalifornského institutu technologií v roce 1987. a nově konstruované hodiny zatím nejsou schopné opustit brány laboratoří. Špičkou v této oblasti je americký Národní institut pro standardy a technologie (NISTNIST – National Institute of Standards and Technology, Americký Národní úřad standardů a technologie. Založen byl v roce 1901. Jeho laboratoře se nacházejí v Boulderu (Colorado) a v Gaithersburgu (Maryland).), který více než metrologický ústav připomíná výjimečnou kvantovou laboratoř, v níž pracovala a pracuje řada nositelů Nobelových cen. V laboratoři JILAJILA – Joint Institute for Laboratory Astrophysics, americká laboratoř založená v roce 1962. Je společným pracovištěm Národního úřadu pro standardy a technologie NIST a Univerzity v Coloradu (v Boulderu). Výzkum se zabývá ultrachladnými atomy a kvantovou fyzikou, nanofyzikou, biofyzikou, laserovou technikou a astrofyzikou. Laboratoře se nacházejí na úpatí Skalistých hor a jsou součástí kampusu Univerzity v Coloradu. Z JILA pochází 6 nositelů Nobelových cen., která je společná NIST a Coloradské univerzitě, vyvíjejí optické atomové hodiny založené na ytterbiuYtterbium – měkký stříbřitě bílý, přechodný kovový prvek, 14. člen skupiny lanthanoidů. Ytterbium objevil roku 1878 švýcarský chemik Jean Charles Galissard de Marignac. Ytterbium se vyskytuje v zemské kůře v koncentraci 3 mg/kg. a stronciuStroncium – Strontium, čtvrtý prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, lehký, velmi reaktivní kov. Je pojmenoán podle vesnice Strontian ve Skotsku, kde byla poprvé nalezena ruda stroncianit obsahující tento kov. Stroncium poprvé elektrolyticky připravil sir Humphry Davy roku 1808. (viz například AB 5/2017). Jinou perspektivní možností je využití přechodů atomového jádra namísto přechodů v celém atomu (viz AB 9/2019). V roce 2019 bylo dosaženo desetinásobně vyšší stability stronciových hodin oproti běžným cesiovým standardům a zdá se, že přesnost a stabilitu signálu bude možné ještě o řád zvýšit.

Celkový pohled na stronciové atomové hodiny vyvíjené v JILA. Zdroj: NIST.

NIST – National Institute of Standards and Technology, Americký Národní úřad standardů a technologie. Založen byl v roce 1901. Jeho laboratoře se nacházejí v Boulderu (Colorado) a v Gaithersburgu (Maryland). JILA – Joint Institute for Laboratory Astrophysics, americká laboratoř založená v roce 1962. Je společným pracovištěm Národního úřadu pro standardy a technologie NIST a Univerzity v Coloradu (v Boulderu). Výzkum se zabývá ultrachladnými atomy a kvantovou fyzikou, nanofyzikou, biofyzikou, laserovou technikou a astrofyzikou. Laboratoře se nacházejí na úpatí Skalistých hor a jsou součástí kampusu Univerzity v Coloradu. Z JILA pochází 6 nositelů Nobelových cen. UTC – Universal Time Coordinated, univerzální koordinovaný čas. Časová stupnice získaná průměrováním měření mnoha desítek cesiových atomových hodin pracujících v řadě metrologických laboratořích po celém světě. Od ní je odvozen občanský pásmový čas a také známé časové signály šířené rozhlasovým vysíláním. Sekunda – Sekunda je jednotka času, jejíž velikost je definována frekvencí přechodu mezi dvěma hyperjemnými hladinami základního stavu atomu 133Cs, která byla zafixována na hodnotě νCs = 9 192 631 770 s−1, tedy 1 s = 9 192 631 770/νCs. Stroncium – Strontium, čtvrtý prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, lehký, velmi reaktivní kov. Je pojmenoán podle vesnice Strontian ve Skotsku, kde byla poprvé nalezena ruda stroncianit obsahující tento kov. Stroncium poprvé elektrolyticky připravil sir Humphry Davy roku 1808.

Na cestě k optickým frekvencím

Jako nejvhodnější pro využití optických frekvencí se jeví hodiny založené na kvantových přechodech v ytterbiu či stronciu. Základem jsou dva laseryLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. První z nich vytváří periodické prohlubně potenciálu, v nichž jsou zachyceny tisícovky atomů (hovoříme o lineární optické mříži atomů) a druhý laser zajišťuje excitaci těchto atomů do vyššího energetického stavu. Měření frekvence nemůže bohužel být kontinuální, existuje tzv. „mrtvý čas“, v němž se systém zotavuje a atomy jsou opětovně buzeny do vyššího energetického stavu. Dalším problémem je Dickův šumDickův jev – změna sledované průměrné frekvence pasivního frekvenčního standardu způsobená interakcí s měřícím zařízením, které v pravidelných cyklech měří frekvenci oscilátoru. Měřící zařízení je zpravidla realizováno jako zpětnovazební smyčka, která měří a průměruje frekvenci oscilátoru v nějakých cyklech. Do měření zanáší šum v okolí periody měřících cyklů a jejích vyšších harmonických. Šum se přenáší do samotného oscilátoru a ovlivňuje měřenou hodnotu. Dickův jev je největším omezením pro stabilitu frekvenčního zdroje. Objevil ho George John Dick z Kalifornského institutu technologií v roce 1987., který lze částečně eliminovat chlazením hodin na velmi nízkou teplotu.

Atomy stroncia uvězněné v optické mříži vytvářené laserem (oranžová vlna).
Dva stavy atomů jsou označeny červenou a modrou barvou. Zdroj: JILA.

První varianty optických hodin využívaly v mrtvých časech vodíkový maserMASER – Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zařízení, které zesiluje elektromagnetické záření pomocí stimulované emise v mikrovlnném a rádiovém oboru. Obdobně funguje v optickém oboru LASER. Teoreticky byl maser předpovězen v roce 1952 Nikolajem Basovem a Alexandrem Prochorovem. Tato práce však byla zveřejněna až v roce 1954. Mezitím byl v roce 1953 nezávisle realizován Charlesem Townesem, Jamesem Gordonem a Herbertem Zeigrem na Kolumbijské univerzitě. Masery se využívají jako velice přesné etalony frekvence, například v atomových hodinách, jako zesilovače vynikají velice nízkým šumem, díky čemuž mohou být použity například k zesílení signálu od velice vzdálených sond, které vysílají na relativně malých výkonech nebo k radiolokaci. Nezastupitelnou roli mají rovněž v radioteleskopii. Klasické konstrukce maserů jsou poměrné náročné na provoz (vakuové systémy, magnetické stínění, silné elektromagnety nebo chlazení tekutým héliem). V roce 2012 byl zkonstruován pulzní a v roce 2018 kontinuální maser, který pracuje za pokojové teploty bez nutnosti magnetického stínění a bez použití vnějšího magnetického pole. v mikrovlnné oblasti, který nahradil časový signál v periodách, kdy nebylo možné provádět měření optického signálu přicházejícího z hodin. Takové řešení je sice možné, ale není ideální, protože mikrovlnný signál snižuje přesnost a stabilitu hodin (přesnost určuje, o kolik se signál odchýlí od reality za danou dobu; stabilita určuje, zda je interval mezi různými „tiknutími“ shodný i po dosti dlouhé době). Cílem bylo vytvořit plně optické hodiny, které by i v období mrtvého času využívaly optickou frekvenci. Takové řešení se podařilo při spolupráci tří subjektů: amerického Institutu pro standardy a technologie v Bolderu, Coloradské univerzity (tamtéž) a německé laboratoře PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) v Braunschweigu. Složený vědecký tým zkonstruoval hodiny založené na atomech stroncia ⁸⁷Sr zachycených v optické mříži, jejichž „tikot“ v mrtvých časech supluje lokální oscilátor – diodový laser, jehož světlo je uvězněno až po dobu 100 sekund v křemíkové optické dutině chlazené na teplotu 124 kelvinů. Nové hodiny dosáhly chyby určení času jen 48 pikosekund za období 34 dní, což je desetinásobně lepší než u stávajících cesiových hodin. Ukázalo se, že při několikaměsíčním průměrování je možné dosáhnout stability 10^-17 a v budoucnosti je realistické stabilitu ještě o řád zlepšit.

Schéma nového prototypu optických atomových hodin. Atomové hodiny komunikují s lokálním oscilátorem tvořeným křemíkovou dutinou (21 cm, 124 K). Frekvenční hřebenFrekvenční hřeben – signál (zpravidla optický) složený z mnoha ekvidistantních čar s měnící se frekvencí. Zařízení umožňuje kontrolovat a měřit frekvenci s relativní přesností v řádu 10⁻¹⁵. Za objev metody optického frekvenčního hřebenu získali Nobelovu cenu za fyziku Roy Glauber, John Hall a Theodor Hänsch v roce 2005. přenáší stabilitu lokálního oscilátoru na laser s vlnovou délkou 698 mm, který spektroskopicky vyhodnocuje kmity hodin. Akusticko-optické modulátory (AOM, Braggovy cely) posouvají frekvence tak, aby bylo dosaženo rezonance s atomovým oscilátorem. Zdroj: Nature/JILA/NIST/PTB.

Nově zkonstruovaný prototyp hodin s extrémní přesností a stabilitou může být užitečný v prvé řadě pro navigační systémy, jejichž přesnost je na zdroji kvalitního časového signálu bytostně závislá. Dále se nabízí využití u  obřích radioteleskopických polí (například SKASKA – Square Kilometer Array, plánovaná síť radioteleskopů, která by měla fungovat jako jediný gigantický přístroj o ploše 1 km². K vybudování bude potřeba území o průměru 6 000 km, předpokládaná cena je dvě miliardy euro. Mělo by jít o tisíce antén třech typů (pro různé frekvence). Jako místo výstavby byla vybrána západní Austrálie a Jižní Afrika. První antény se začaly stavět v roce 2018 a první snímek pořízený celým komplexem by měl být uskutečněn v roce 2027. Nová observatoř budovaná na dvou kontinentech je prezentována zkratkou SKAO (SKA Observatory).), jejichž činnost vyžaduje velmi přesné časové značky na signálu z jednotlivých členů pole. Extrémně přesné hodiny by mohly umožnit detekovat i zakřivení času při průletu hmotných objektů v naší blízkosti. Tím se otevírají možnosti využití v základním fyzikálním výzkumu, například při sledování temné hmoty v našem bezprostředním okolí. A není ani vyloučena redefinice sekundy, která je dosud založena na hyperjemném přechodu atomů cesia. Je patrné, že atomové hodiny v optické oblasti mohou zasáhnout do nejrůznějších sfér lidské činnosti.

Odkazy