Najmniejszy na świecie zegar atomowy

Najmniejszy na świecie zegar atomowy został skonstruowany przez inżynierów z National Institute of Standards and Technology (NIST). Wielkie osiągnięcie grupy wybitnych naukowców wprowadziło ludzkość w nowy wymiar mierzenia czasu.

Precyzyjne działanie zegara atomowego polega na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości. Pierwszy zegar atomowy został wynaleziony w 1949 roku. Był postrzegany jako niezwykle skomplikowane urządzenie wykorzystujące zaawansowane zastosowania technologiczne. Czasomierz był bezsprzecznie najdokładniejszym źródłem mierzenia czasu i szybko spotkał się z aprobatą ludzi na całym świecie. Amerykańskie przedsiębiorstwo, w którym został wynaleziony nie zaprzestało prac. W efekcie co kilka lat prezentowano coraz nowocześniejsze i dokładniejsze zegary atomowe. Ulepszanie czasomierzy było możliwe dzięki rozwojowi technologicznemu w połączeniu z wiedzą wchodzącą w ramy fizyki.

W kolejnych latach placówka odpowiedzialna za produkcję zegarów atomowych zmieniła nazwę z (NBS) na (NIST). Wraz z ze zmianą nazwy wprowadzono kilka innych w strukturach organizacji. Większość z nich przyniosła korzystne rezultaty. W 2004 roku naukowcy w pracowniach placówki opracowali najmniejszy zegar atomowy na świecie. Wymiary urządzenia liczą 1,5 x 1,5 x 4,2 mm co w przybliżeniu stanowi wielkość ziarenka ryżu. Zegar do prawidłowego funkcjonowania potrzebuje energii wynoszącej niecałe 75 mW. Tak niewielki pobór mocy sprawia, że może być zasilany baterią. Długotrwale badania dowodzą, że dokładność urządzenia wynosi 1 do 10 miliardów. Zatem przyśpieszenie bądź opóźnienie zegara może oscylować w granicach 1 sekundy na 300 lat. Precyzja jest zadowalająca, aczkolwiek pozostawia sporo do życzenia w porównaniu z wynalezionym 65 lat później zegarem pulsarowym.

Innowacyjna konstrukcja opiera się o układy mikro – elektro – mechaniczne (MEMS). Wykorzystane rozwiązanie jest w stanie umożliwić produkcję naręcznych zegarków atomowych na skalę masową. Czasomierz wraz z obwodem koronnym i zewnętrznym oscylatorem powinien zajmować powierzchnię zaledwie 1 centymetra sześciennego. Precyzyjny mechanizm działa podobnie jak te w zegarach atomowych o znacznie większych gabarytach. Za poprawne działanie odpowiadają drgania atomów cezu. Jednak przy pracy najmniejszego zegara atomowego wykorzystuje się także pola elektromagnetyczne charakteryzujące się dwoma różnymi wartościami, które wytwarza laser działający w podczerwieni. Pomiędzy polami musi zaistnieć równowaga do czasu aż osiągnie poziom równy różnicy występującej pomiędzy poziomami energetycznymi atomów. Operacja powoduje całkowite odcięcie od światła co określa częstość drgań cezu. Następnie zachodzi korelacja pomiędzy cezem i oscylatorem krzemowym.

Niespełna dziesięć lat po dokonaniu rewolucyjnego odkrycia naukowcy z firmy Hoptroff skonstruowali osobisty zegarek atomowy, który wykazuje się jeszcze większą precyzją. Wahania wynoszą 1,5 sekundy na tysiąc lat. Wprowadzenie czasomierza w ruch jest możliwe dzięki chipowi Quantum SA 45. Urządzenie powstało w zakładach przedsiębiorstwa Symmetricom, które specjalizuje się w tworzeniu instrumentów precyzyjnego pomiaru czasu dla amerykańskich sił powietrznych. W innowacyjnym urządzeniu został wykorzystany kontroler temperatury. Zamontowano go w specjalnej komorze, która jest wypełniona gazem cez. Laser znalazł zastosowanie w podgrzewaniu atomów radioaktywnych. Ponadto zegarek wspiera zaawansowany technologicznie rezonator mikrofalowy, którego podstawowym zadaniem jest wykrywanie emisji elektronów odpowiedzialnych za zmiany poziomów wytwarzanej energii. Powstała długofalowa stabilność częstotliwości mikrofal zapewnia niezwykle dokładny pomiar czasu. Jednak w dalszym ciągu charakteryzuje się on mniejszą precyzją od zegarów atomowych większych rozmiarów.

Wymiary zegarka wynoszą 40 x 34,8 x 11 milimetrów. Wprawdzie to wyklucza możliwość zaklasyfikowania go do kanonu pełnowymiarowych zegarków naręcznych, ale tak małe gabaryty robią duże wrażenie. Ładowanie litowo – polimerowej baterii napędzającej mechanizm odbywa się niemal identycznie jak ładowanie telefonu komórkowego. Ładowarka podpięta do gniazdka elektrycznego przenosi prąd do baterii dzięki zamontowanemu wyjściu micro USB. Konstruktorzy postanowili także zadbać o funkcje, które często spotyka się w smartfonach. Zegarek posiada Bluetooth i kilka czujników. Najważniejsze z nich mierzą ciśnienie, wilgotność i temperaturę. Istotnym jest także fakt, że zegarek posiada magnetometr, czyli przyrząd do pomiaru kierunku, wielkości i zachodzących zmian pola magnetycznego.

Obecnie postęp technologiczny ma znaczny wpływ na rozwój światowego zegarmistrzostwa. Zegary atomowe zmieniły świat. Na całym globie prace nad niezwykle precyzyjnymi urządzeniami pomiaru czasu nie zwalniają tempa. Obecnie zegary atomowe cieszą się niebywałą popularnością. Jednak w niedługim czasie mogą zostać zastąpione przez dziesięciokrotnie dokładniejsze zegary pulsarowe. Pierwszy z nich powstał w Polsce w 2011 roku.