Al meer dan een decennium, het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft experimentele atoomklokken van de volgende generatie onthuld. Deze klokken, op basis van ytterbium, strontium, aluminium, en kwikatomen, onder andere, hebben records gevestigd voor precisie en stabiliteit.

Maar, en dan? Het maakt allemaal deel uit van de voortdurende inspanning van NIST om zijn vermogen om officiële Amerikaanse burgertijd te behouden en te verspreiden, te verbeteren. Een praktische vraag was wanneer dergelijke experimentele klokken zouden kunnen worden gebruikt om officiële tijdwaarneming te ondersteunen.

Nieuwe NIST-simulaties suggereren dat deze klokken nu betrouwbaar en praktisch genoeg kunnen zijn om bij te dragen aan kalibraties die de officiële Amerikaanse burgertijd ondersteunen.

Momenteel, cesiumfonteinklokken NIST-F1 en NIST-F2 worden elke maand ongeveer een week gebruikt om NIST-tijdschalen te kalibreren, arrays van waterstofmasers - microgolfversies van lasers - die officiële Amerikaanse burgertijd behouden voor distributie naar financiële markten en miljoenen andere gebruikers over de hele wereld. Zonder dergelijke kalibraties, officiële tijd dwaalt een beetje af.

Klokken van de volgende generatie werken op optische frequenties, veel hoger dan de microgolffrequenties van cesiumklokken. Optische klokken zijn complexe natuurkundige laboratoriumopstellingen en werken meestal slechts met tussenpozen.

"In principe, de optische klok moet de beste frequentiereferentie in het gebouw zijn, " zei Chris Oates, hoofd van de afdeling Tijd en Frequentie van NIST. "Deze klokken worden steeds betrouwbaarder, steeds robuuster. Er zijn experimenten geweest waarbij ze deze dingen dagenlang laten draaien."

"We wilden de vraag beantwoorden, 'Is het de moeite waard om op dit moment moeite te doen om onze bestaande optische klokken te vergelijken met de tijdschaal?' Dit document bevestigde dat het zinvol is om een ​​eerste evaluatie uit te voeren."

Inderdaad, soortgelijke eerste demonstraties zijn aan de gang bij andere nationale metrologische instituten over de hele wereld. Bij dergelijke demonstraties optische klokken genereren of houden geen officiële tijd bij - eerder, ze bieden extreem stabiele (intermitterende) frequentiereferenties die het genereren van tijd ondersteunen.

De NIST-simulaties vonden dat om dezelfde prestaties te bereiken als een cesium-fontein-gekalibreerde tijdschaal, NIST zou elke 12 uur een optische klok gedurende 12 minuten moeten laten lopen, of 1 uur per dag, of 4 uur elke 2 en 1/3 dagen, of 12 uur per week. Onder andere voordelen, dergelijke kalibraties zouden de fout in officiële tijd kunnen verminderen tot slechts 2 nanoseconden (ns), beter dan de huidige offsets in de officiële tijd van NIST.

Omdat elke timingfout steeds erger wordt, de studie suggereert dat je een optische klok minstens 3 keer per week 4 uur per keer laat draaien.

NIST gebruikt al optische klokken om masers in de tijdschaal te bewaken. Het plan is nu om een ​​systeem te bouwen om optische klokresultaten te gebruiken om een ​​"papieren tijdschaal" te creëren en gegevens te verzamelen over hoe het zich verhoudt tot het echte werk. In principe, elke tijd- en frequentie-invoer kan worden gebruikt om de tijdschaal te kalibreren; nauwkeurigere invoer krijgt meer gewicht. De verwachting is dat optische klokken nuttig zullen zijn voor echte kalibraties, zelfs met hun bescheiden beschikbaarheid, omdat ze een goede ondersteuning kunnen bieden terwijl ze minder vaak draaien dan cesiumklokken.

Om het proces gemakkelijker te maken, NIST zou meerdere optische klokken kunnen bedienen en ertussen kunnen schakelen voor kalibratiedoeleinden. Door verschillende optische klokken in verschillende tijdvakken te laten draaien, NIST zou de werklast kunnen verdelen over verschillende laboratoria en personeel.

De NIST-simulatiestudie wees uit dat verschillende soorten optische klokken kunnen worden gebruikt om de tijdschaal te kalibreren. Dat komt omdat de meeste van deze klokken een hogere stabiliteit en een lagere onzekerheid hebben dan de tijdschaal, dus enige onzekerheid in schattingen van de frequentiebronnen die officiële tijd ondersteunen, zou voornamelijk te wijten zijn aan de stabiliteitsbeperkingen van de tijdschaal. Verder, De officiële tijd van NIST kan niet nauwkeuriger zijn dan internationale normen, dus voor nu is er geen dringende noodzaak om de tijdschaal te verbeteren.

Dat zou snel kunnen veranderen, echter. Deze studies kunnen nuttig zijn bij een toekomstige herdefiniëring van het International System of Units (SI). De standaardeenheid van tijd, de seconde, is sinds 1967 gebaseerd op eigenschappen van het cesiumatoom. De komende jaren de internationale wetenschappelijke gemeenschap zal naar verwachting de tweede, het selecteren van een nieuw atoom als basis voor standaard atoomklokken en officiële tijdwaarneming.