Óra lexikon

Az atomóra

Hogyan fedezték fel az atomórákat?

Az 1930-as évektől kezdve már vizsgálták a mikrohullámok hatását. Isidor Isaac Rabi javasolta az 1940-es években, hogy a pontos órák elkészítésére fel kellene használni az atomok rezgését. A radart második kifejlesztették a világháború során, amely már mikrohullámmal működött. Felfedezték a mikrohullám hatásának vizsgálatai során, hogy az ammónia, a gázok közül, rezgésbe jön pontosan 23,87 GHz frekvencián, azonban ennél kisebb, vagy nagyobb frekvencián viszont nem.

Hogyan működnek az atomórák?

A működési elv

Egy kis kamrába zárják be az ammóniagázt, aminek csatlakozik egy mikrohullámú gerjesztő eszköz, egyfajta lézer, amit „mézer”-nek is neveznek, az egyik oldalához, viszont egy olyan eszköz van a másik oldalán, ami pedig reagál a gáz rezgésére. Egy mérőeszköz az utóbbi, amelynek a gerjesztő eszközhöz vezetik vissza a jelét, így jön létre a visszacsatolás.
Rezgésbe jönnek az ammóniaatomok egy bizonyos frekvencián a mikrohullámú frekvencia finom változtatásával. Ekkor felerősödik rendkívüli mértékben a mért jel a mérőeszközön. Viszont meredeken csökken a jel erőssége kisebb, vagy nagyobb frekvencián. Automatikusan történik a frekvencia beállítása, ugyanis amikor kapják a legnagyobb jelet, akkor az ammónia úgynevezett saját frekvenciája az a frekvencia, amit kaptak. A külső gerjesztő eszközön ez az érték leolvasható.
Bár elég kicsi a rezgési sáv, viszont az óra működésével kapcsolatban problémák mégis vannak. Az okozza az egyik problémát, hogy ütköznek egymással, valamint a kamra falával is az ammóniamolekulák, ezért „elkenődik” kicsit a kapott frekvencia, úgymond pontatlanná válik kis mértékben. Abból adódik a másik probléma, hogy egyszer a mérőeszköz felé, másszor meg az ellenkező irányba haladnak az atomok, ez pedig a frekvencia megváltozásával jár szintén az úgynevezett Doppler-effektus révén. Az ammónia egy molekula, amelynek természetesen az atomjairól van szó.
Nem jelentkeznek a céziummal kapcsolatban a fenti problémák. Ugyanis szilárd halmazállapotú szobahőmérsékleten a cézium, amely egy ezüstös fém. Körülveszi egy elektronfelhő az atommagot, amelyben a legkülső héjon van egyetlen elektron. Van egy kicsiny mágneses mezeje ennek az elektronnak, valamint mintha forogna a saját tengelye körül. Szintén forog a magja még a cézium atomnak is, ezzel létre hozva egy másik mágneses mezőt.
Természetesen egymásra hatással van a két mágneses mező, ugyanis amikor ugyanabba az irányba mutat a két mágneses tér, akkor az egyik energiaállapotáról beszélünk a cézium atomnak, mivel amikor ellenkező irányba néznek a mágneses terek, akkor pedig az egy másik energiaállapot a cézium atomnál. A 9 192 631 770 frekvencia jellemző a kétféle állapot közötti átmenetre. Az ennek a frekvenciának megfelelő energiájú fotont az elektron vagy elnyeli, vagy kibocsátja.

A gyakorlati működése a céziummal működő atomóráknak

Felhevítik, valamint bevezetik egy légüres csőbe a céziumot. Egymás mellett haladnak a csőben az atomok, így tehát egymással nem ütköznek, mint az ammónia esetén. Egy mágneses térhez a haladásuk során elérnek az atomok, amelynek az atomok haladási irányával merőleges az iránya. Ez eredményezi azt, hogy a csőben tovább csak egyféle energiaállapotú atomok haladnak az atomok közül, eltéríti a többieket a mágneses tér. Mikrohullámmal gerjesztik a továbbhaladó atomokat, amelynek a fent megadott értékhez a frekvenciája igen közel van.
Ha a rezonancia-frekvenciájával a cézium atomnak megegyezik a gerjesztő frekvencia, akkor az energiaállapotát megváltoztatja nagyszámú atom. Ezután találkoznak egy másik mágneses mezővel az atomok, amely azokat az atomokat téríti el, amelyek az energiaállapotukat nem változtatták meg, viszont átengedi a többieket. Ezek után következik egy érzékelő szonda, amibe beleütköznek a cézium atomok. Magából arányos jelet ad ki az érzékelő szonda a beléje ütköző atomok számával. Oda vezetik vissza ezt a jelet, ahol beállítódik az értéke a gerjesztő frekvenciának, mégpedig olyan módon, hogy az érzékelőbe érkezzen minél nagyobb számú atom. Ez azt is jelenti egyúttal, hogy az atomok saját rezonancia-frekvenciájával megegyezik pontosan ez a beállított frekvencia.

A szabványos másodperc

Meghatározta úgy a másodperc fogalmát a Mértékegységek Nemzetközi Rendszere (SI) 1967-ben, mint az időtartama alapállapotban a cézium-133 atom 9 192 631 770 rezgésének, két hiperfinom energia átmenet között.
Az idő, valamint a frekvenciaméréseknél elsődleges forrásnak teszi ez a meghatározás az olyan atomórákat, amelyek a céziummal működnek. Egyéb fizikai mennyiségek, mint például a volt, vagy a méter, a másodperc meghatározására támaszkodnak többek között a saját szabványukban.

A további atomóra-változatok

Ilyen például az-az atomóra, amely rubídiummal működik. Ennek a szerkezetnek a cézium-atomórához képest kedvezőbb a költsége, valamint kisebb a helyigénye, viszont ugyanolyan jó a rövid távú stabilitása. Ez a fajta óra megtalálható rengeteg kereskedelmi termékben, mivel hordozható kivitelben készül. Használják még a légi közlekedésben is. Oroszországban főleg olyan atomórákat készítenek, amelyek hidrogénnel működnek. Ennek a szerkezetnek a rövid távú stabilitása kiváló, olcsó, hosszú távon, viszont kevésbé pontos.
Sokszor használják kombinálva az órákat a gyakorlati alkalmazásokban, így például összekötnek egy GPS vevővel egy rubídiummal működő atomórát. Ezzel a megoldással el lehet érni, hogy a rövid távú pontosság kiváló legyen, valamint a hosszú távú stabilitás pedig a nemzetközi időszabvány kívánalmainak is megfelel.

Az élettartam a különböző órák esetében

Fontos gyakorlati kérdésnek számít egy szabvány élettartama. Tíz évig használható legalább egy rubídium cső napjainkban, valamint belekerül mindössze ötven dollárnak megfelelő összegbe. A cézium cső, amely megfelel a nemzetközi szabványoknak is, használható körülbelül hét évig, valamint a költsége harmincöt ezer dollár. Alacsony költségű, valamint korlátlan élettartamú a hidrogénnel működő cső.

A továbbfejlesztés

Arra a célra irányul a legtöbb jelenlegi kutatás, hogy az atomóra hogyan lehetne kisebb méretű, olcsóbb, pontosabb, vagy megbízhatóbb. Viszont gyakran vannak egymással ellentmondásban ezek a célok. Fényt használnak fel a mikrohullámú gerjesztés helyett egy konkrét fejlesztés szerint. Ugyanis egy stabil lézerrendszerrel együtt lehetővé teszi a fény magasabb frekvenciája a nagyobb frekvenciastabilitást. Az optikai tartományba eső frekvenciák mérése lehetővé vált, amikor a 2000-es évben a femto másodperces frekvenciafésű bemutatásra került. Az olyan atomórák kifejlesztése, amelyek fénnyel működnek, több helyen folyamatban vannak a világon. Kipróbálás alatt van két alapvető technológia, amelyből az „ioncsapdában elszigetelt egyionos” megoldás az egyik, az „optikai rácsban fogva tartott semleges atom” módszer pedig a másik. Lehetővé teszi azt mindkét lehetőség, hogy el legyen szigetelve teljesen a külső zavaró hatásoktól az ion, vagy az atom, így elérhető egy nagyon stabil frekvencia. Kísérletek folynak még olyan további anyagokkal is, mint többek között az alumínium (Al), a higany (Hg), a stroncium (Sr), valamint az itterbium (Yb).