NISTs næste generation af atomure kan understøtte officiel tidtagning

I mere end et årti, National Institute of Standards and Technology (NIST) har afsløret eksperimentelle næste generation af atomure. Disse ure, baseret på ytterbium, strontium, aluminium, og kviksølvatomer, blandt andre, har sat rekorder for præcision og stabilitet.

Men, og hvad så? Det er alt sammen en del af NISTs kontinuerlige indsats for at forbedre dets evne til at opretholde og udbrede officiel amerikansk civil tid. Et praktisk spørgsmål har været, hvornår sådanne eksperimentelle ure kunne begynde at blive brugt til at understøtte officiel tidtagning.

Nye NIST-simuleringer tyder på, at disse ure nu kan være pålidelige og praktiske nok til at begynde at bidrage til kalibreringer, der understøtter officiel amerikansk civil tid.

I øjeblikket, cæsium springvand ure NIST-F1 og NIST-F2 betjenes i omkring en uge hver måned for at kalibrere NIST tidsskalaer, rækker af brintmasere - mikrobølgeversioner af lasere - der opretholder officiel amerikansk civil tid til distribution til finansielle markeder og millioner af andre brugere rundt om i verden. Uden sådanne kalibreringer, Den officielle tid går lidt.

Næste generations ure fungerer ved optiske frekvenser, meget højere end mikrobølgefrekvenserne for cæsiumure. Optiske ure er komplekse fysiklaboratorieopsætninger og kører typisk kun intermitterende.

"I princippet, det optiske ur skal være den bedste frekvensreference i bygningen, " sagde Chris Oates, chef for NISTs tids- og frekvensafdeling. "Disse ure bliver mere pålidelige, mere robust hele tiden. Der har været eksperimenter, hvor de kører disse ting i dagevis."

"Vi ønskede at besvare spørgsmålet, "Er det det værd lige nu at bruge nogle kræfter på at prøve at sammenligne vores eksisterende optiske ure med tidsskalaen?" Dette papir bekræftede, at det giver mening at udføre en første evaluering."

Ja, lignende første demonstrationer er i gang på andre nationale metrologiske institutter rundt om i verden. I sådanne demonstrationer, optiske ure genererer eller holder ikke officiel tid – snarere, de giver ekstremt stabile (intermitterende) frekvensreferencer, der understøtter tidsgenerering.

NIST-simuleringerne viste, at for at opnå samme ydeevne som en cæsium-fontæne-kalibreret tidsskala, NIST skulle køre et optisk ur i 12 minutter hver 12. time, eller 1 time om dagen, eller 4 timer hver 2. og 1/3 dag, eller 12 timer om ugen. Blandt andre fordele, sådanne kalibreringer kan reducere fejlen i officiel tid til kun 2 nanosekunder (ns), bedre end nuværende offsets i NIST officiel tid.

Fordi enhver tidsfejl bliver gradvist værre, undersøgelsen foreslår at køre et optisk ur 4 timer ad gangen mindst 3 gange om ugen.

NIST bruger allerede optiske ure til at overvåge masere i tidsskalaen. Planen er nu at bygge et system til at bruge optiske urresultater til at skabe en "papirtidsskala" og akkumulere data om, hvordan den kan sammenlignes med den ægte vare. I princippet, enhver tids- og frekvensinput kan bruges til at kalibrere tidsskalaen; mere nøjagtige input tillægges mere vægt. Forventningen er, at optiske ure vil vise sig nyttige til rigtige kalibreringer, selv med deres beskedne tilgængelighed, da de kunne give god støtte, mens de kører sjældnere end cæsiumure.

For at gøre processen lettere, NIST kunne betjene flere optiske ure og skifte mellem dem til kalibreringsformål. Ved at køre forskellige optiske ure i forskellige tidsvinduer, NIST kunne fordele arbejdsbyrden til forskellige laboratorier og personale.

NIST-simuleringsundersøgelsen viste, at forskellige typer optiske ure kunne bruges til at kalibrere tidsskalaen. Det er fordi de fleste af disse ure har højere stabilitet og lavere usikkerhed end tidsskalaen, så enhver usikkerhed i estimater af de frekvenskilder, der understøtter officiel tid, vil primært skyldes tidsskalaens stabilitetsbegrænsninger. Yderligere, NIST officielle tid kan ikke være mere nøjagtig end internationale standarder, så for nu er der ikke noget presserende behov for at forbedre tidsskalaen.

Det kan snart ændre sig, imidlertid. Disse undersøgelser kan være nyttige i en fremtidig omdefinering af det internationale system af enheder (SI). Standardenheden for tid, Sekundet, har været baseret på egenskaber ved cæsiumatomet siden 1967. I de kommende år, det internationale videnskabelige samfund forventes at omdefinere den anden, at vælge et nyt atom som grundlag for standard atomure og officiel tidtagning.