Suomenkieliset tekstitykset ovat saatavilla YouTubessa.
Erittäin tarkan kellon rakentaminen
|
Kellot eivät ole hyödyllisiä vain silloin, kun sovit tapaamisen ystävän kanssa tiettyyn aikaan; niitä käytetään myös verkkojen synkronointiin, esimerkiksi matkapuhelinverkkojen. Myös GPS ja navigointijärjestelmämme ovat niiden varassa.
Jotta voidaan rakentaa kello, tarvitaan jonkinlainen taajuusviite. Voit ajatella heiluria vanhanaikaisessa lattia‑ tai kaappikellossa. Jos yrität rakentaa kaksi kelloa, jotka ovat täsmälleen samanlaisia, se ei onnistu, koska et koskaan pysty valmistamaan kahta heiluria, jotka olisivat täysin identtisiä, joilla olisi täsmälleen sama pituus ja jotka tikittäisivät täsmälleen samaan tahtiin. Onneksi kvanttimekaniikka antaa meille taajuusviitteitä, jotka ovat kaikkialla täysin identtisiä. Näitä ovat atomien optiset siirtymät. Jos sinulla on jokin tietty siirtymä atomissa, tarvitset lasersäteen tietyllä taajuudella ajaaksesi tämän siirtymän. Jos rakennat kelloja, jotka perustuvat tällaisten lasersäteiden taajuuteen, kun ne ajavat näitä optisia siirtymiä, niin strontiumatomeihin perustuva kello Amsterdamissa, toinen Pekingissä tai jopa jossakin toisessa galaksissa tikittäävät kaikki täsmälleen samalla nopeudella. |
|
Mitä siis tarvitaan atomikellon rakentamiseen? Sinun täytyy pystyä mittaamaan nämä siirtymät näissä atomeissa erittäin tarkasti. Tämä ei onnistu, jos atomit ovat lämpöisessä kaasussa, kuten tämän huoneen ilmassa, jossa ne viilettävät satojen metrien sekuntinopeudella, koska et voi havainnoida atomeja riittävän pitkään. Siksi atomit täytyy käytännössä jäähdyttää lähes liikkumattomiksi ennen kuin niitä mitataan.
Teemme tämän tällaisilla laitteilla. Syvällä sisällä on tyhjiökammio, jossa jäähdytämme strontiumatomikaasua laserjäähdytyksen avulla. Täällä näet peilejä, jotka ohjaavat lasersäteet atomien luo. Atomit tulevat uunista, kulkevat sitten alas tänne, ja keskellä ne jäähdytetään alle yhteen mikrokelviniin.
Lopuksi voimme käyttää vakiotekniikoita, kuten optisia taajuuskampoja, lasersäteen taajuuden mittaamiseen ja syöttää sen elektroniikkaan. Sen jälkeen voimme tehdä tällä taajuussignaalilla mitä haluamme – esimerkiksi liikuttaa kellon viisareita. Jos rakennat tällaisen optisen kellon, maailman parhaat kellot kävisivät koko maailmankaikkeuden eliniän aikana väärin vain noin sekunnin verran.
Teemme tämän tällaisilla laitteilla. Syvällä sisällä on tyhjiökammio, jossa jäähdytämme strontiumatomikaasua laserjäähdytyksen avulla. Täällä näet peilejä, jotka ohjaavat lasersäteet atomien luo. Atomit tulevat uunista, kulkevat sitten alas tänne, ja keskellä ne jäähdytetään alle yhteen mikrokelviniin.
Lopuksi voimme käyttää vakiotekniikoita, kuten optisia taajuuskampoja, lasersäteen taajuuden mittaamiseen ja syöttää sen elektroniikkaan. Sen jälkeen voimme tehdä tällä taajuussignaalilla mitä haluamme – esimerkiksi liikuttaa kellon viisareita. Jos rakennat tällaisen optisen kellon, maailman parhaat kellot kävisivät koko maailmankaikkeuden eliniän aikana väärin vain noin sekunnin verran.
Miten valmistellaan ultrakylmiä atomeja atomikelloa varten
|
Atomikello käyttää kapean atomisiirtymän taajuutta taajuusviitteenään. Jotta voimme mitata tämän taajuuden tarkasti, tarvitsemme atomeja, jotka ovat lähes paikallaan. Huonelämpöisessä kaasussa atomit liikkuvat satojen metrien sekuntinopeudella — ne karkaisivat ennen kuin ehtisimme mitata niitä tarkasti. Tämän välttämiseksi valmistamme kaasunäytteen lämpötilassa, joka on vain miljoonasosa astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, noin −273 °C. Näissä oloissa atomit liikkuvat vain muutaman millimetrin sekunnissa.
Valmistamme tämän kaasunäytteen tyhjiökammiossa laserien ja magneettikenttien avulla. Zoomaamme uuniin tyhjiökammion toisessa päässä, jossa strontiumatomit säilytetään metallikappaleena. Kun kuumennamme uunia, strontiumatomit irtoavat kappaleesta ja muodostavat kaasun. Atomit pomppivat uunin sisällä ja osa niistä pääsee sattumalta ulos kapeiden putkien kautta. Nämä putket varmistavat, että suurin osa pakenevista atomeista kulkee haluamaamme suuntaan. |
|
Uunista tulevilla atomeilla on satojen metrien sekuntinopeudet. Hidastamme niitä suuntaamalla lasersäteen niiden liikesuuntaa vastaan ja varmistamalla, että atomit sirontavat fotoneja tästä lasersäteestä. Voit kuvitella, että jokaista atomia iskee tuhannet pienet pöytätennispallot, jotka on tehty valosta, ja jokainen niistä hidastaa atomia hieman. Kun atomit saavuttavat tyhjiökammion keskellä olevan lasisolun, ne liikkuvat enää vain muutamien kymmenien metrien sekuntinopeudella.
Jotta voimme jäähdyttää atomeja vielä lisää ja vangita ne lasisolun keskelle, käytämme kuutta lasersädettä, jotka hidastavat atomeja ja työntävät niitä sisäänpäin, erityisen magneettikentän ohjaamina. Atomit kerääntyvät näin lasisolun keskelle pieneksi kaasupilveksi. Nyt meillä on ultrakylmä strontiumatomien näyte. Sen avulla voimme spektroskopian avulla määrittää erittäin tarkasti erittäin kapean atomisiirtymän taajuuden. Tämä taajuus on se, mikä saa ultrap tarkan optisen atomikellomme tikittämään.
Jotta voimme jäähdyttää atomeja vielä lisää ja vangita ne lasisolun keskelle, käytämme kuutta lasersädettä, jotka hidastavat atomeja ja työntävät niitä sisäänpäin, erityisen magneettikentän ohjaamina. Atomit kerääntyvät näin lasisolun keskelle pieneksi kaasupilveksi. Nyt meillä on ultrakylmä strontiumatomien näyte. Sen avulla voimme spektroskopian avulla määrittää erittäin tarkasti erittäin kapean atomisiirtymän taajuuden. Tämä taajuus on se, mikä saa ultrap tarkan optisen atomikellomme tikittämään.
Optisen atomikellon toimintaperiaate
|
Optinen atomikello tikittää kapean atomisiirtymän taajuudella. Tämä taajuus tarjotaan käyttäjälle lasersäteen taajuutena. Kellon toimintaperiaate on siirtää atomisiirtymän taajuusstabiilisuus tälle laserille. Tämä tehdään käyttämällä juuri tätä laseria atomisiirtymän mittaamiseen ja käyttämällä mittaustulosta laserin taajuuden hienosäätöön, jotta se pysyy tarkasti viritettynä.
Mikä tahansa laser ei kuitenkaan kelpaa — sen on toimittava oikealla taajuudella kyseiselle siirtymälle, ja sen taajuus on esistabiloitava ennen kuin se pääsee vuorovaikuttamaan atomien kanssa, koska mittaus kestää kymmeniä sekunteja. |
|
Kun kytkemme laserin ensimmäistä kertaa päälle, näemme, että sen taajuus, eli värähdysten määrä sekunnissa, hyppii voimakkaasti. Laser on silloin vielä melko epävakaa — emme voi käyttää sitä atomien sondaukseen. Jotta voimme esistabiloida laserin taajuuden, viritämme sen optisen resonanssikavition resonanssiin, vähän kuin laulaja virittää äänenkorkeutensa kitaran soittamaan säveleen. Arvioidaksemme, miten lähellä kavition resonanssia laser on, lähetämme osan sen valosta kavition suuntaan. Matkalla laser kulkee elektro‑optisen modulaattorin, EOM:n, läpi, joka muokkaa hieman laserin spektriä — se piirtää siihen sivukaistoja. Tämä helpottaa sellaisen signaalin saamista, jota elektroniikka voi käyttää laserin taajuuden säätämiseen kavition resonanssiin.
Katsotaan tarkemmin optista kavitiota. Yksinkertaisimmillaan se koostuu kahdesta peilistä, joiden pinnat ovat vastakkain. Kun laser osuu ensimmäiseen peiliin, pieni osa valosta siirtyy kavitioon. Vain jos laserin taajuus on kavition resonanssitaajuudella, kavition sisälle voi muodostua seisova valoaaltokenttä ja valoa vuotaa ulos toisesta peilistä. Näin tapahtuu vain tietyillä taajuuksilla, ja me valitsemme sen, joka on lähimpänä atomisiirtymän taajuutta.
Yksinkertainen tapa stabiloida laserin taajuus olisi säätää sitä, kunnes kavitiosta vuotaa valoa ulos. Me käytämme hieman kehittyneempää menetelmää: keräämme kavitiosta takaisin heijastuneen valon fotodetektorille. Elektroniikka voi käyttää tämän detektorin signaalia laserin taajuuden säätämiseen niin, että se on kavitiomoodin resonanssissa.
Kavito ei kuitenkaan voi toimia pitkäaikaisena vakaana viitteenä, koska sen pituus muuttuu hitaasti — esimerkiksi lämpötilavaihteluiden vuoksi — mikä vuorostaan siirtää kavition resonanssitaajuutta. Jotta laserin taajuus pysyy vakaana pitkillä aikaskaaloilla, tarvitsemme atomeja. Ne antavat meille muuttumattoman viitetaajuuden, jonka luonto on määrännyt. Esistabiloidulla laserilla voimme nyt sondota atomeja. Meidän on selvitettävä, onko laserin taajuus atomisiirtymällä, hieman sen ylä- vai alapuolella, jotta voimme vetää taajuuden takaisin siirtymälle, jos se ajelehtii pois.
Atomien sondaukseen käytämme lyhyttä pulssia juuri valmistamastamme punaisesta laserista. Laserin päälle‑ ja poiskytkentään ja taajuuden hienosäätöön käytämme akusto‑optista modulaattoria, AOM:ia. Jos laser on täsmälleen oikealla taajuudella tai lähellä sitä, atomit virittyvät. Mittaamme, kuinka moni atomi virittyi, saamalla ne fluoresoimaan toisen, sinisen lasersäteen valossa. Fotodiodi kerää atomien emittoiman sinisen valon.
Tarkastellaan kolmea tapausta.
Ensimmäisessä tapauksessa laser on viritetty lähes resonanssiin, joten suurin osa atomeista virittyy korkeampaan energiatilaan. Kun sitten paistamme atomeihin sinistä laseria, vain ne atomit, jotka ovat jääneet perustilaan — videolla edelleen “siniset” atomit — pystyvät sirottamaan valoa.
Toisessa tapauksessa laser on jonkin verran pois resonanssista; esimerkissämme noin puolet atomeista siirtyy virittyneeseen tilaan. Tämä tarkoittaa, että kun paistamme atomeihin sinistä laseria, saamme kirkkaamman signaalin, koska useampi atomi on yhä perustilassa — nämä “siniset” atomit.
Viimeinen tapaus kuvaa tilannetta, jossa laser on kaukana resonanssista, joten käytännössä yksikään atomi ei virity. Tällöin suurin osa atomeista on edelleen perustilassa ja voi absorboida ja emittoida sinistä valoa, mikä antaa korkean signaalin fotodiodilla.
Yleisesti ottaen: mitä vähemmän atomeja jää perustilaan, sitä heikompi on havaittu sininen signaali. Näemme tässä uudelleen sekvenssin: ensin punainen laserpulssi, joka virittää osan atomeista, ja sitten toinen sininen pulssi, jolla mittaamme, onnistuimmeko virittämään atomeja ensimmäisellä pulssilla.
Yksinkertainen tapa varmistaa, että laser pysyy viitattuna atomisiirtymään, on pitää se “välitilanteessa”. Jos fotodiodille tulee silloin vähemmän valoa, tiedämme, että laserin taajuus on ajautunut kohti resonanssia, ja voimme vetää sen takaisin poispäin. Vastaavasti, jos valoa tulee enemmän, taajuus on ajautunut kauemmas resonanssista ja voimme työntää sen takaisin lähemmäs.
Valmistamalla yhä uusia atominäytteitä ja kyselemällä niitä tällä tavoin kerta toisensa jälkeen voimme pitää laserin lähellä atomisiirtymää.
Näin olemme rakentaneet vakaan taajuusviitteen, joka on jo itsessään erittäin hyödyllinen. Jotta saamme kellon, joka kertoo ajan, meidän tarvitsee vain laskea tämän viitteen värähdysjaksojen määrä jostakin tarkkaan määritellystä hetkestä lähtien. Siinä se: olemme rakentaneet strontiumatomeihin perustuvan optisen atomikellon, joka koko maailmankaikkeuden eliniän aikana kävisi väärin vain yhden sekunnin verran.
Katsotaan tarkemmin optista kavitiota. Yksinkertaisimmillaan se koostuu kahdesta peilistä, joiden pinnat ovat vastakkain. Kun laser osuu ensimmäiseen peiliin, pieni osa valosta siirtyy kavitioon. Vain jos laserin taajuus on kavition resonanssitaajuudella, kavition sisälle voi muodostua seisova valoaaltokenttä ja valoa vuotaa ulos toisesta peilistä. Näin tapahtuu vain tietyillä taajuuksilla, ja me valitsemme sen, joka on lähimpänä atomisiirtymän taajuutta.
Yksinkertainen tapa stabiloida laserin taajuus olisi säätää sitä, kunnes kavitiosta vuotaa valoa ulos. Me käytämme hieman kehittyneempää menetelmää: keräämme kavitiosta takaisin heijastuneen valon fotodetektorille. Elektroniikka voi käyttää tämän detektorin signaalia laserin taajuuden säätämiseen niin, että se on kavitiomoodin resonanssissa.
Kavito ei kuitenkaan voi toimia pitkäaikaisena vakaana viitteenä, koska sen pituus muuttuu hitaasti — esimerkiksi lämpötilavaihteluiden vuoksi — mikä vuorostaan siirtää kavition resonanssitaajuutta. Jotta laserin taajuus pysyy vakaana pitkillä aikaskaaloilla, tarvitsemme atomeja. Ne antavat meille muuttumattoman viitetaajuuden, jonka luonto on määrännyt. Esistabiloidulla laserilla voimme nyt sondota atomeja. Meidän on selvitettävä, onko laserin taajuus atomisiirtymällä, hieman sen ylä- vai alapuolella, jotta voimme vetää taajuuden takaisin siirtymälle, jos se ajelehtii pois.
Atomien sondaukseen käytämme lyhyttä pulssia juuri valmistamastamme punaisesta laserista. Laserin päälle‑ ja poiskytkentään ja taajuuden hienosäätöön käytämme akusto‑optista modulaattoria, AOM:ia. Jos laser on täsmälleen oikealla taajuudella tai lähellä sitä, atomit virittyvät. Mittaamme, kuinka moni atomi virittyi, saamalla ne fluoresoimaan toisen, sinisen lasersäteen valossa. Fotodiodi kerää atomien emittoiman sinisen valon.
Tarkastellaan kolmea tapausta.
Ensimmäisessä tapauksessa laser on viritetty lähes resonanssiin, joten suurin osa atomeista virittyy korkeampaan energiatilaan. Kun sitten paistamme atomeihin sinistä laseria, vain ne atomit, jotka ovat jääneet perustilaan — videolla edelleen “siniset” atomit — pystyvät sirottamaan valoa.
Toisessa tapauksessa laser on jonkin verran pois resonanssista; esimerkissämme noin puolet atomeista siirtyy virittyneeseen tilaan. Tämä tarkoittaa, että kun paistamme atomeihin sinistä laseria, saamme kirkkaamman signaalin, koska useampi atomi on yhä perustilassa — nämä “siniset” atomit.
Viimeinen tapaus kuvaa tilannetta, jossa laser on kaukana resonanssista, joten käytännössä yksikään atomi ei virity. Tällöin suurin osa atomeista on edelleen perustilassa ja voi absorboida ja emittoida sinistä valoa, mikä antaa korkean signaalin fotodiodilla.
Yleisesti ottaen: mitä vähemmän atomeja jää perustilaan, sitä heikompi on havaittu sininen signaali. Näemme tässä uudelleen sekvenssin: ensin punainen laserpulssi, joka virittää osan atomeista, ja sitten toinen sininen pulssi, jolla mittaamme, onnistuimmeko virittämään atomeja ensimmäisellä pulssilla.
Yksinkertainen tapa varmistaa, että laser pysyy viitattuna atomisiirtymään, on pitää se “välitilanteessa”. Jos fotodiodille tulee silloin vähemmän valoa, tiedämme, että laserin taajuus on ajautunut kohti resonanssia, ja voimme vetää sen takaisin poispäin. Vastaavasti, jos valoa tulee enemmän, taajuus on ajautunut kauemmas resonanssista ja voimme työntää sen takaisin lähemmäs.
Valmistamalla yhä uusia atominäytteitä ja kyselemällä niitä tällä tavoin kerta toisensa jälkeen voimme pitää laserin lähellä atomisiirtymää.
Näin olemme rakentaneet vakaan taajuusviitteen, joka on jo itsessään erittäin hyödyllinen. Jotta saamme kellon, joka kertoo ajan, meidän tarvitsee vain laskea tämän viitteen värähdysjaksojen määrä jostakin tarkkaan määritellystä hetkestä lähtien. Siinä se: olemme rakentaneet strontiumatomeihin perustuvan optisen atomikellon, joka koko maailmankaikkeuden eliniän aikana kävisi väärin vain yhden sekunnin verran.
Optisen atomikellon hyödyntäminen optisen taajuuskamman avulla
|
Kun olemme stabiloineet laserin atomikellon siirtymään, meillä on erittäin vakaa optinen taajuusviite. Tämä viite kuitenkin värähtelee 460 terahertsin taajuudella, eli 460 biljoonaa värähdystä sekunnissa, mikä on liian nopeaa moniin sovelluksiin. Usein tarvitaan taajuusviitettä elektroniikalle, ja sen saamiseksi meidän on muunnettava optinen signaali radiotaajuiseksi signaaliksi.
Työkalumme tähän on taajuuskampa. Jos katsomme lasersädettä ja hidastamme aikaa, näemme, että se koostuu toistuvista lyhyistä laserpulsseista. Kun tarkastelemme tämän laserin taajuusspektriä, löydämme ”sateenkaaren” diskreettejä taajuuskomponentteja, jotka ovat erotettu pulssien toistotaajuudella. Spektri näyttää kammalta, mistä nimi tulee. Tämän taajuuskamman ”hampaita” voidaan käyttää kuin viivainta optisten taajuuksien mittaamiseen. Kun taas zoomaamme ulos, näemme lasersäteen, joka näyttää silmälle valkoiselta, koska se sisältää värejä koko sateenkaaren alueelta. |
|
Haasteena taajuuskamman käytössä on, että se on itsessään epävakaa – toistotaajuus ajelehtii, ja siten myös kammahampaiden taajuudet muuttuvat. Toistotaajuuden stabiloimiseksi viittaamme yhtä kammalinjaa atomikellon tarjoamaan stabiiliin laseriin.
Mutta miten tämä tehdään? Tarkastelemme kammahammasta, joka on lähinnä laserimme taajuutta. Tämän hampaan ja laserin välinen interferenssi tuottaa lyöntitaajuuden (beat note), joka näkyy intensiteetin värähtelynä. Tämä on samanlaista kuin ääni, jonka kuulee virittäessään yhtä soitinta toiseen, juuri ennen kuin niiden taajuudet yhtyvät. Meidän tapauksessamme lyöntitaajuus on megahertsien alueella, jonka voimme helposti mitata fotodetektorilla. Sen jälkeen muutamme kamman toistotaajuutta, kunnes tämä lyöntitaajuus saa tarkasti määritellyn arvon. Tämä lukitsee kamman toistotaajuuden tarkasti. Voimme mitata toistotaajuuden fotodetektorilla ja saada näin radiotaajuisen referenssisignaalin, joka soveltuu elektroniikalle.
Kun kamma on stabiloitu atomiseen viitteeseen, se tarjoaa meille ”sateenkaaren” diskreettejä ja erittäin tarkkoja laseritaajuuksia. Voimme lukita minkä tahansa muun aallonpituuden lasereita kammaan ja antaa niille siten taajuustarkkuuden, joka on yhtä hyvä kuin atomiviitteellä. Tämä tarkoittaa, että emme ole enää rajoittuneet pelkästään siihen aallonpituuteen, jonka luonto on antanut meille atomisiirtymän muodossa.
Voimme käyttää tätä optisen atomitaajuusviitteen jakamiseen koko mantereella. Riittää, että stabiloimme teleliikenneaallonpituuden laserin kammaan ja lähetämme tämän laserin televerkkojen valokuituja pitkin, internet-signaalien rinnalla. Näin voimme vertailla optisia kelloja eri paikoissa tai synkronoida verkkoja.
Koska ajan kulku riippuu painovoimasta, kellojen vertailu mahdollistaa niiden geodeettisen korkeuseron määrittämisen yhden senttimetrin tarkkuudella. Jos kellot perustuvat eri atomi-, molekyyli- tai ydinlajeihin, voimme tutkia, muuttuvatko luonnon perusvakiot ajan myötä, mikä voisi viitata standardimallin tuolle puoleiseen fysiikkaan. Voimme myös käyttää näitä tekniikoita televerkkojen synkronointiin ilman, että joudumme turvautumaan helposti häirittäviin tai väärentäviin satelliittinavigointisignaaleihin. Hyvällä synkronoinnilla televerkkomme voivat mahdollistaa jopa vankan navigoinnin 10 sentin tarkkuudella.
Mutta miten tämä tehdään? Tarkastelemme kammahammasta, joka on lähinnä laserimme taajuutta. Tämän hampaan ja laserin välinen interferenssi tuottaa lyöntitaajuuden (beat note), joka näkyy intensiteetin värähtelynä. Tämä on samanlaista kuin ääni, jonka kuulee virittäessään yhtä soitinta toiseen, juuri ennen kuin niiden taajuudet yhtyvät. Meidän tapauksessamme lyöntitaajuus on megahertsien alueella, jonka voimme helposti mitata fotodetektorilla. Sen jälkeen muutamme kamman toistotaajuutta, kunnes tämä lyöntitaajuus saa tarkasti määritellyn arvon. Tämä lukitsee kamman toistotaajuuden tarkasti. Voimme mitata toistotaajuuden fotodetektorilla ja saada näin radiotaajuisen referenssisignaalin, joka soveltuu elektroniikalle.
Kun kamma on stabiloitu atomiseen viitteeseen, se tarjoaa meille ”sateenkaaren” diskreettejä ja erittäin tarkkoja laseritaajuuksia. Voimme lukita minkä tahansa muun aallonpituuden lasereita kammaan ja antaa niille siten taajuustarkkuuden, joka on yhtä hyvä kuin atomiviitteellä. Tämä tarkoittaa, että emme ole enää rajoittuneet pelkästään siihen aallonpituuteen, jonka luonto on antanut meille atomisiirtymän muodossa.
Voimme käyttää tätä optisen atomitaajuusviitteen jakamiseen koko mantereella. Riittää, että stabiloimme teleliikenneaallonpituuden laserin kammaan ja lähetämme tämän laserin televerkkojen valokuituja pitkin, internet-signaalien rinnalla. Näin voimme vertailla optisia kelloja eri paikoissa tai synkronoida verkkoja.
Koska ajan kulku riippuu painovoimasta, kellojen vertailu mahdollistaa niiden geodeettisen korkeuseron määrittämisen yhden senttimetrin tarkkuudella. Jos kellot perustuvat eri atomi-, molekyyli- tai ydinlajeihin, voimme tutkia, muuttuvatko luonnon perusvakiot ajan myötä, mikä voisi viitata standardimallin tuolle puoleiseen fysiikkaan. Voimme myös käyttää näitä tekniikoita televerkkojen synkronointiin ilman, että joudumme turvautumaan helposti häirittäviin tai väärentäviin satelliittinavigointisignaaleihin. Hyvällä synkronoinnilla televerkkomme voivat mahdollistaa jopa vankan navigoinnin 10 sentin tarkkuudella.
