Natuurkundigen en medewerkers van JILA hebben de eerste 'tijdschaal' van de volgende generatie gedemonstreerd - een systeem dat gegevens van meerdere atoomklokken bevat om een ​​enkel zeer nauwkeurig tijdwaarnemingssignaal te produceren voor distributie. De JILA-tijdschaal presteert beter dan de beste bestaande hubs voor het wereldwijd verspreiden van officiële tijd en biedt de mogelijkheid om miljoenen klanten, zoals financiële markten en computer- en telefoonnetwerken, nauwkeurigere tijd te geven.

De nieuwe tijdschaalarchitectuur combineert een superbetrouwbare, geavanceerde atoomklok met een ultrastabiel apparaat voor het opslaan van tijdsignalen en is een "blauwdruk voor de upgrade van tijdschalen wereldwijd, " zoals beschreven in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven .

JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

"Ik denk dat deze nieuwe tijdschaaldemonstratie erg belangrijk zal zijn voor de herdefinitie van tijd in de toekomst, " zei Jun Ye, NIST/JILA fellow en projectleider.

De recente herdefiniëring van het Internationale Stelsel van Eenheden (SI) heeft de manier waarop tijd wordt gemeten niet bijgewerkt. 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.

Om u voor te bereiden op deze verandering, onderzoekers moeten systemen upgraden om tijd te verdelen.

NIST beheert de civiele tijdschalen van het land, arrays van waterstofmasers - microgolfversies van lasers - die betrouwbare oscillerende signalen leveren om stabiel "tikken" te behouden voor de officiële Amerikaanse civiele tijd van de dag, die is gekoppeld aan internationale tijd (gecoördineerde universele tijd of UTC). Twee atoomklokken gebaseerd op de cesiumstandaard, genaamd NIST-F1 en NIST-F2, worden gebruikt om de tijdschalen te kalibreren en de nauwkeurigheid ervan te waarborgen.

Net als atoomklokken van de volgende generatie, JILA's experimentele tijdschaal werkt volledig op optische frequenties, die veel hoger zijn dan de microgolffrequenties van cesiumtijdstandaarden. Optische frequenties verdelen de tijd in kleinere eenheden en kunnen zo een grotere nauwkeurigheid bieden.

Pogingen om de nieuwste optische atoomklokken in oudere microgolftijdschalen op te nemen, zijn tegen grenzen aangelopen wat betreft stabiliteit op lange termijn, vanwege de inherente eigenschappen van masers en de fluctuaties die gepaard gaan met het koppelen ervan aan experimentele klokken die met tussenpozen werken.

Het JILA-team loste deze problemen op door een stabieler type oscillator te optimaliseren en bedrijfsomstandigheden zoals temperatuur strak te regelen, zodat hun zeer stabiele en nauwkeurige strontiumroosterklok regelmatig op aanvraag kan worden bediend.

De oscillator wordt gevormd door een laserstraal gericht in een holle holte gemaakt van een enkel kristal van silicium, waarbinnen laserlicht van een bepaalde kleur, of frequentie, stuitert regelmatig heen en weer gedurende een lange tijd, als een metronoom. Deze apparaten bestaan ​​al jaren, maar een langdurige JILA-samenwerking met Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), het Duitse nationale metrologisch instituut, bedacht een nieuwe manier om ze te bouwen, sterk verbeteren van de stabiliteit van het licht. Onlangs, het JILA-team heeft de stabiliteit van hun caviteit op de lange termijn verder verbeterd, die 21 centimeter lang is en werkt bij cryogene temperaturen van 124 K (minus 149,15 C), door gebruik te maken van supergepolijste optica en verbeterde warmtebeheersing, onder andere tweaks.

In de JILA-tijdschaal, een optische frequentiekam (een liniaal voor licht) brengt het stabiele optische signaal van deze holte naar een andere, zeer stabiele laser die op de atomen van de klok schijnt en de frequentie van het licht synchroniseert met hun tikken. Twee extra lasers zijn gestabiliseerd tot onafhankelijke holtes. De meerdere lasers en holtes zorgen voor redundantie voor het geval er iets niet goed werkt.

De stabiliteit van de oscillator werd continu vergeleken met die van de NIST-microgolftijdschaal door een reeds bestaande ondergrondse glasvezelverbinding tussen JILA, op de campus van de universiteit, en NIST, een mijl of zo weg. Meer dan een maand metingen, de frequentiestabiliteit van de optische oscillator overtrof consequent die van de masers in de microgolftijdschaal.

De experimentele resultaten laten zien dat de JILA-tijdschaalarchitectuur beter presteert dan microgolftijdschalen, zelfs wanneer de masers zijn gekalibreerd door atoomklokken van de volgende generatie. De analyse van het team geeft aan dat door de JILA optische klok 50% van de tijd te laten draaien, de volledig optische tijdschaal zou een stabiliteitsniveau kunnen bereiken dat ongeveer 10 keer beter is dan de standaard microgolftijdschaal, of 1 × 10 ^-17 , na een paar maanden van het gemiddelde.

Een ander praktisch voordeel is dat de oscillatorfrequentie kan worden voorspeld met behulp van conventionele microgolfanalysetechnieken, waardoor het team na 34 dagen gebruik een timingfout van slechts 48 ± 94 picoseconden (biljoenste van een seconde) kon schatten.

Er zijn aanvullende technische upgrades gepland, inclusief automatisering waarmee de klok meer dan 50% van de tijd kan worden bediend. Onderzoekers zijn ook van plan om het optische tijdschaalsignaal op te nemen in de NIST-tijdschaal met behulp van het ondergrondse glasvezelnetwerk.