Atomik Saat nasıl çalışır?

Güç kesildiğinde ve daha sonra onarıldığında, saatlerinizi kaça kuracağınızı nasıl bilirsiniz? Zamanın nasıl ayarlandığını hiç düşündünüz mü?

 Birleşik Devletler ’de, zaman standardı USNO (US Naval Observatory's Master Clock,) Savunma Bakanlığı için resmi zaman kaynağı) tarafından ayarlanır. Bu mekanizmaların etkisi hepimiz tarafından, saatler, bilgisayarlar ve görüşme programları şeklinde hissedilir.

Atomik saatler radyoaktif midir?

Atomik saatler, zamanı diğer saatlerden daha iyi korur. Hatta dünyanın dönüşünden ve yıldızların hareketlerinden bile  daha iyi korur. Atomik saat olmadan GPS denizciliği imkansız olacak, internet senkronize olamayacak ve uzay araştırmaları için gezegenlerin yerleri yeterli doğrulukta saptanamayacak ve uçakların uçması ve görüntülenmesi pek mümkün olmayacaktı. 

Atomik saatler radyoaktif değildir. Atomik bozunuma dayanmazlar. Sıradan saatler gibi, sallanan bir kütle ve bir yayları vardır. 

Aradaki büyük fark, atomik saatteki salınımın (osilasyonun) atomun çekirdeği ve elektronları arasında olmasıdır. Osilasyon tam olarak  denge çarkına ve saat düzeneğindeki helezonik yaya paralel bir şey değildir ama aslında ikisi de geçen zamanın izini sürmek için osilasyonları kullanırlar. Atomun içerisindeki osilasyon frekansı,  çekirdeğin kütlesi ve ağırlığına ve çekirdekteki pozitif yük ve onu çevreleyen elektron bulutu arasındaki elektrostatik yaya bağlıdır.

Atomik saat türleri nelerdir?

Bu gün, prensipleri aynı olan farklı atomik saatler vardır. En büyük fark, kullanılan element ve enerji seviyesi değiştiğinde saptamaların ortalamasına bağlıdır. Bazı atomik saat türleri:

• Sezyum atomik saatleri,  sezyum atomlarının ışın demetlerini kullanır. Saat, manyetik alanla sezyum atomlarını farklı enerji seviyelerine ayırır.
• Hidrojen atomik saatleri, hidrojen atomlarını özel bir malzemeden yapılmış bir konteynırda gereksinim duyulan enerji seviyesinde tutar. Bu nedenle atomlar yüksek enerjili durumlarını çok hızlı kaybetmezler.
• Rubidyum atomik saatleri, en basit ve en kompakt olanı olup, çevrede doğru mikrodalga frekansı olduğu zaman , optik rubidyum frekansında, ışık absorpsiyonunu değiştiren rubidyum gazının cam hücresini kullanır.

Günümüzde, en doğru atomik saatler sezyum atomu,normal manyetik alanlar ve dedektörler kullanır. Ek olarak,  sezyum atomları, lazer ışınları kullanılıp, doppler etkisine bağlı olarak meydana gelen frekans değişimleri azaltılarak, ileri ve geri enerji harcamaları durdurulur.

Pratik bir sezyum atomik saati nasıl çalışır?

Atomların karakteristik osilasyon frekansları vardır. Belki en bilinen frekans, bir alevde yakıldığı zaman turuncu ateş oluşturan sofra tuzundaki sodyumunkidir. Bir atomun bir çok farklı frekansları vardır, bazıları radyodalgalarında, bazıları görülebilir spektrumda ve bazıları ikisi arasındadır. Sezyum 133 genellikle atomik saatler için en çok seçilen elementtir.   

Caesium atomic clock, 1955
http://www.makingthemodernworld.org.uk

Bir atomik saatin içindeki sezyum atomik rezonansını döndürmek için, rezonans frekanslarından birini tam doğru olarak ölçmek gerekir. Bu normalde, bir kristal osilatörü, sezyum atomunun temel mikrodalga rezonansına kilitleyerek yapılır. Sinyal, radyo spektrumunun mikrodalga aralığındadır ve direkt yayın yapan uydu sinyalleri gibi aynı tür frekansta olurlar. Mühendisler, büyük  bir detay içerisinde, spektrumun bu alanında nasıl ekipman inşa edebileceklerini anlarlar.

Bir saat yapmak için, ilk önce sezyum ısıtılır. Böylece atomlar kaynar ve yüksek vakumlu bir tüpten geçerler. İlk önce atomları doğru enerji seviyesine göre seçen manyetik bir alandan geçer: o zaman yoğun mikrodalga alanından geçer. Mikrodalga enerjisinin frekansı dar bir frekans aralığı içerisinde ileri ve geriyi süpürür. Bu nedenle bazı noktalarda her bir çevrimde yaklaşık olarak 9,192,631,770 Hertz’lik  (Hz ya da saniyedeki çevrim sayısı) bir frekansla geçer. Mikrodalga jeneratörünün aralığı, hassas kristal osilatörden gelen bu yaklaşık frekansa zaten kapalıdır. Bir sezyum atomu, yaklaşık olarak doğru frekansta mikrodalga enerjisi aldığı zaman, enerji durumunu değiştirir.   

Tüpün ucundaki son kısmında diğer bir manyetik alan, eğer mikrodalga alanı yaklaşık olarak doğru frekansta olmuşsa ve atomlar enerji durumlarını değiştirmişlerse, atomları ayırır. Tüpün sonundaki bir dedektör, sezyum atomunun çarpma sayısıyla orantılı olarak bir çıkış verir ve mikrodalga frekansı yaklaşık olarak doğru olduğunda çıkışta pik oluşturur. Bu pik, kristal osilatörü ve dolayısıyla da mikrodalga alanını doğru frekansa getirmek için önemsiz bir düzeltmeyi gerekli kılar. Bu kilitlenmiş frekans 9,192,631,770 ile bölünerek gerçek dünyada ihtiyaç duyulan ve herkesçe bilinen saniyede bir sinyal verir.   

Atomik saat ne  zaman icadedildi ?

1945’te, Columbia Üniversitesi fizik profesörü Isidor Rabi, 1930’larda kendi geliştirdiği atomik ışın manyetik rezonans tekniği ile de bir saat yapılabileceğini söyledi. 1949’larda, Ulusal Bureau Sandartları (NBS, şimdiki adı National Institute of Standarts and Technology, NIST) dünyanın ilk atomik saatinin titreşim kaynağı olarak amonyum molekülü kullandığını ve 1952’lerde de ilk atomik saatinin sezyum atomları kullandığını duyurdu. NBS-1.

1952’de, İngiltere’deki Ulusal Fizik laboratuarı, kalibrasyon kaynağı olarak kullanılan ilk sezyum-ışın saatini yaptı. On yıl sonra, bu saatlerin daha gelişmiş şekilleri tasarlandı. 1967’de, 13. Genel Tartımlar ve Ölçümler Konferansı’nda sezyum atomunun titreşimlerini temel alarak SI saniyesi tanımlandı: NBS-4, dünyanın en stabil sezyum atomu, 1968’de tamamlandı ve NIST zaman sisteminin bir kısmı olarak 1990’larda kullanıldı.  

1999’da, NIST-F1 10-15. güçte 1.7’lik bir belirsizlikle ya da 20 milyon yılda 1 saniyelik bir hata payıyla operasyona başladı ki bu şimdiye kadar yapılmış en az hatayla çalışan saattir.

Atomik zaman nasıl ölçülür?

Uluslar arası anlaşmaya göre sezyum rezonansı için doğru frekans 9,192,631,770 Hz ‘dır. Bu nedenle çıkış bu sayıya bölündüğü zaman 1 Hz ya da saniyede 1 çevrim olarak bulunur.

Modern sezyum atomik saatlerle (en yaygın tür) ulaşılan uzun-dönem doğruluk (yaklaşık kesinlik), bir milyon yılda bir saniyelik hatadan daha iyidir. Hidrojen atomik saatler ise, daha kısa-dönemlerde (1 hafta) yaklaşık olarak, sezyum atomu saatlerinin  doğruluğunun 10 katı kadar doğruluk gösterir. Bu yüzden, atomik saatler, astronomik teknikler kullanılarak yapılan ölçümlerle karşılaştırıldığında 1 milyon kat  ölçüm doğruluğunu arttırdı.

Massachusetts’deki Ulusal Şirket sezyum atomu kullanarak ilk ticari atomik saati üretti. Bu gün, Hewlett Packard, Frequency Electronics  ve FTS gibi çeşitli imalatçılar üretilmektedirler. Yeni teknolojik çalışmalar performanslarını geliştirmeye devam etmektedir.