Cezio atominis laikrodis, kuris matuoja atominį laiką Jungtinėje Karalystėje, yra pats tiksliausias pasaulyje. Naujas laikrodžio įvertinimas atspausdintas tarptautiniame moksliniame žurnale „Metrologia“. Laikrodžio tikslumą vertino fizikai iš Nacionalinės fizikos laboratorijos (National Physical Laboratory) bei Pensilvanijos valstijos universiteto, esančio JAV.

Jungtinėje Karalystėje esantis laikrodis NPL-CSF2 priklauso elitinei cezio atominių laikrodžių grupei. Šie laikrodžiai buvo įrengti Europoje, JAV ir Japonijoje, kaip pradinis dažnių standartas, skirtas laiko matavimui. Nacionaliniai standartai yra vidurkinami ir gaunamas Tarptautinis atominis laikas (International Atomic Time) bei Pasaulinis koordinatinis laikas (Universal Coordinated Time), kurie yra naudojami laikui matuoti visame pasaulyje bei yra svarbūs tokiems procesams, kaip pasaulinė komunikacija, apie Žemę skriejančių palydovų valdymui ir stebėjimui bei laiko registravimui finansinėse ir akcijų rinkose. Metodai, panaudoti tobulinant Jungtinės Karalystės laikrodį, taip pat gali būti panaudoti cezio atominiams laikrodžiams įvertinti ir kitose šalyse. Tai leistų stipriai padidinti laikrodžių tikslumą visame pasaulyje.

„Patobulinimai, kuriuos mes aprašome savo straipsnyje, stipriai sumažino du didžiausius matavimų netikslumų šaltinius cezio atominiuose laikrodžiuose, tai yra doplerio poslinkiai ir mikrobanginio fokusavimo dažnio poslinkis,“ – pasakė Nacionalinės fizikos laboratorijos projekto vadovas Kšyštovas Šymaniecas (Krzysztof Szymaniec). Fizikai įvertino neseniai patobulintą cezio atominį laikrodį, atlikę fizikinius matavimus laboratorijoje bei pritaikę Pensilvanijos valstijos universitete sukurtus matematinius modelius.

„Kurto Giblo (Kurt Gibble) iš Pensilvanijos valstijos universiteto daug nuveikė dažnių standartų srityje, kurdamas modelius, kurie padeda nustatyti sisteminius efektus cezio atominiuose laikrodžiuose, – paaiškino Šymaniecas. – Paklaidos, susijusios su šiais efektais, buvo keletą kartų sumažintos naudojant naujus modelius bei skaitmeninius skaičiavimus, pateiktus Giblo grupės mokslininkų. Visa tai buvo patikrinta su realiais laikrodžiais Nacionalinėje fizikos laboratorijoje bei Paryžiuje. Šie modeliai ir skaitmeniniai skaičiavimai kartu su kitais cezio atominio laikrodžio patobulinimais padidino ir JK laikrodžio tikslumą. Laikrodžio paklaida šiuo metu sudaro 2.3 × 10^-16, tai yra mažiausia vertė iš visų nacionalinių laiko standartų.“

Mokslininkai įvertino cezio atominių laikrodžių tikslumą vertindami visų fizikinių efektų, kurie kaip yra žinoma gali būti dažnio poslinkių priežastimi, tikslumą. Jiems reikėjo ištirti laikrodžio veikimo tikslumui turinčių fizikinių efektų įtaką, tokių kaip atominė sąveika su išoriniais laukais, susidūrimai tarp atomų.

Taip pat buvo tiriamos ir atominio laikrodžio subsistemos, tokios kaip mikrobangų rezonatorius. Du patys didžiausi paklaidų šaltiniai, susiję su šiais matavimais, yra dažnių poslinkiai, pasireiškę dėl doplerinio efekto bei mikrobanginio fokusavimo.

„Vienas iš mūsų patobulinimų, į kurį atsižvelgė mūsų modelis, yra susijęs su ypatingai mažu doplerio poslinkiu, kuris stebimas cezio atominiuose laikrodžiuose,“ – pasakė Giblas. Mašinos signalo doplerio poslinkis yra gerai žinomas kasdieniniame gyvenime, tačiau, kaip jis paaiškino, šviesos doplerio poslinkis yra per mažas, kad žmonės galėtų jį pastebėti.

„Jei jūs einate per gatvę žiūrėdami į raudoną šviesoforo šviesą, jūsų akys negalės pagauti mažo doplerinio šviesos poslinkio, susidariusio dėl jūsų judėjimo, link mėlynosios spektro dalies, – paaiškino Giblas. – Spalvos pokytis tebus tik 1/100 milijoninės dalies skirtumo tarp raudonos ir mėlynos spalvų. Mūsų modelis rodo, kad NPL-CSF2 laikrodyje, šie poslinkiai yra net šimtą milijonų kartų mažesni, nei gaunamas jūsų judėjimo atveju.“

Kitas svarbus matavimo paklaidų šaltinis – mikrobanginis fokusavimas. Jis pasireiškia dėl jėgų, kuriomis mikrobangos veikia atomus, naudojamus sekundės trukmės matavime.

„Tarptautinis susitarimas apibrėžiant sekundę yra labai svarbus laiko matavime,“ – pasakė Šymaniecas. Jis paaiškino, kad sekundė yra apibrėžiama kaip šuolio, vykstančio tarp dviejų cezio 133 atomo pagrindinės būsenos palygmenių, dažnis. Norint šį dažnį gauti cezio atominiame laikrodyje, lazerio atvėsinti cezio atomai yra du kartus veikiami laikrodžio mikrobangų rezonatoriaus. Vieną kartą atomai sąveikauja savo kelyje rezonatoriumi į viršų, kitą kartą – judėdami žemyn. Norėdami tiksliai įvertinti laikrodžio dažnį, fizikams reikėjo savo modelyje atsižvelgti kaip mikrobangos veikia atomus kvantmechaniniame lygmenyje.

„Mes šiuo metu jau supratome, kad Nacionalinėje fizikos laboratorijoje veikiantis atominis laikrodis yra toks tikslus, kad mes jį turime nagrinėti kaip atominį interferometrą,“ – paaiškino Giblas.

„Pirmasis atominis laikrodis buvo sukurtas Nacionalinėje fizikos laboratorijoje. Dabar mes atlikome dar vieną aukščiausios klasės tyrimą, kuris leis padidinti laiko matavimo tikslumą, – pasakė Šymaniecas. – Derindami savo matavimų patirtį su kolegų iš Pensilvanijos valstijos universiteto, parodėme, kad Nacionalinės fizikos laboratorijos laiko matavimas tebėra tiksliausias pasaulyje.“