W ubiegłym roku DARPA, czyli amerykańska agencja działająca w dziedzinie zaawansowanych technologii militarnych, rzuciła wyzwanie różnym laboratoriom badawczym: stworzenie mniejszych i dokładniejszych zegarów atomowych. Rękawice podniosło wiele placówek, ale uczeni z Sandia National Laboratories pod kierunkiem prof. Yuana-Yu Jau wydają się być najbliżej osiągnięcia celu.
Czytaj też: Optyczny zegar atomowy, jakiego jeszcze nie było. To wręcz idealny instrument badawczy
Jego główny projekt zakłada budowę zegara atomowego mającego ok. 1 centymetra długości i zaledwie 2 mm szerokości i wysokości, co daje łącznie 0,04 cm3. Według wytycznych DARPA, urządzenie musi wskazywać czas z dokładnością do jednej milionowej sekundy po tygodniu. To osiągnięcie może szeroko otworzyć drzwi nowej fizyce.
Najmniejszy zegar atomowy to wynalazek, którego potrzebujemy
Zegar atomowy to urządzenie wynalezione w 1948 r. w Narodowym Instytucie Standaryzacji i Technologii (NIST), którego podstawowym założeniem jest pomiar czasu nie przy użyciu zjawisk astronomicznych (jak obrót Ziemi) lub elementów mechanicznych (jak koła zębate i sprężyny), ale za pomocą sygnałów elektromagnetycznych emitowanych przez elektrony wokół atomu. To sprawia, że zegary atomowe są wyjątkowo precyzyjne.
Czytaj też: Stworzono najdokładniejszy zegar atomowy. Nie spóźni się nawet przez 30 mld lat
DARPA poszukuje zegarów atomowych z dokładnością do milionowych części sekundy w trakcie tygodnia. Podczas gdy te najlepsze urządzenia na świecie są duże i nieporęczne, ale oferują pożądaną dokładność, wersje kieszonkowe są mniej precyzyjne. Celem Sandii i DARPA jest uzyskanie 30-krotnie większej dokładności niż w przypadku obecnie najnowocześniejszych zegarów na małą skalę. DARPA wymaga również poprawy zużycia energii oraz wrażliwości na temperaturę i wibracje.
Fizycy z Sandia National Laboratories mają doświadczenie w budowaniu kompaktowych zegarów atomowych. Na początku XXI w. pracujący tam naukowcy pomogli stworzyć zegar atomowy Chip Scale Atomic Clock (CSAC), który jest niewiele większy od pudełka zapałek i wciąż jest najmniejszym, jaki można kupić.
Prof. Yuan-Yu Jau jest w stanie sprostać wymaganiom DARPA – w pewnym sensie już nawet zbudował pożądany zegar atomowy. Szesnaście lat temu, pracując wówczas na Uniwersytecie Princeton, zbudował swój pierwszy prototyp czegoś, co nazwał laserowym oscylatorem atomowym. Był mniej więcej wielkości skrzynki na narzędzia, ale wykonywał tę samą podstawową czynność, co zegar atomowy. Wytwarzał stały, mierzący czas impuls pochodzący ze świecenia laserem przez chmurę atomów potasu. Co ważne, był on samowystarczalny: nie wymagał zewnętrznego sprzętu elektronicznego do sterowania okresowym impulsem maszyny.
Większość zegarów atomowych ma sprzęt pomocniczy, który zwykle zajmują sporo miejsca. Gdyby usunąć taką elektronikę z zegara CSAC wielkości pudełka zapałek, okazałoby się, że fizyczne tykanie odbywa się w opakowaniu wielkości ziarenka ryżu.
Oryginalna maszyna prof. Yu była tak duża, gdyż łatwiej było mu ją zbudować, ale teraz ma wszystkie narzędzia, aby ją zmniejszyć. Fizyk planuje zamienić atomy potasu na cez i zmniejszyć swój oryginalny projekt przy użyciu maszyn i narzędzi w kompleksie Sandia Microsystems Engineering, Science and Applications. Ponieważ ten projekt nie wymaga sprzętu peryferyjnego, może to radykalnie wpłynąć na rozmiar, wagę i zapotrzebowanie energetyczne.
