Jam atom

Jam atom ialah sejenis jam yang menggunakan frekuensi piawai resonans atom sebagai unsur penjagaan masanya. Jam atom adalah piawaian waktu dan frekuensi paling jitu yang dikenali di dunia, dan digunakan sebagai piawaian primer untuk khidmat pengedaran waktu antarabangsa, mengawal frekuensi siaran televisyen, dan sistem satelit navigasi global seperti GPS.

Kesatuan jam atom utama di Balai Cerap Tentera Laut A.S. di Washington D.C., yang menyediakan piawaian waktu untuk Amerika Syarikat. Unit-unit yang terpasang dalam rak di latar belakang adalah jam alur sesium HP 5071A. Unit-unit hitam di latar depan adalah piawaian maser hidrogen Sigma-Tau MHM-2010.

Prinsip pengendalian jam atom tidak berasaskan fizik nuklear, sebaliknya menggunakan isyarat gelombang mikro persis yang dipancarkan oleh elektron dalam atom apabila berubah aras tenaga. Jam atom yang terawal berasaskan maser. Kini, jam atom yang paling jitu berasaskan spektroskopi penyerapan atom sejuk dalam bejana atom seperti NIST-F1.

Agensi piawaian kebangsaan memastikan ketepatan 10⁻⁹ saat sehari (kira-kora 1 bahagian dalam 10¹⁴), dan kepersisan yang diset oleh pemancar radio yang mengepam maser. Jam ini menyelenggara satu skala masa yang selanjar dan stabil, iaitu Waktu Atom Antarabangsa (TAI). Untuk waktu awam, disebarkannya satu lagi skala masa iaitu Waktu Universal Selaras (UTC). UTC diterbitkan dari TAI, tetapi disegerakkan dengan menggunakan saat lompat, dengan UT1 yang berasaskan pusingan bumi sebenar berkenaan dengan waktu suria.

Sejarah

Gagasan penggunaan peralihan atom untuk menyukat masa mula-mula dicadangkan oleh Lord Kelvin pada tahun 1879.^[1] Ini dipraktikkan dalam kaedah resonans magnet yang dibangunkan oleh Isidor Rabi pada tahun 1930-an.^[2] Pada tahun 1945, Rabi menimbulkan pendapat bahawa resonans magnet alur atom boleh dijadikan asas jam.^[3] Jam atom ciptaan pertama berbentuk peranti maser amonia yang dibina di Biro Piawaian Negara AS (NBS, kini NIST) pada tahun 1949. Sungguhpun tidak sejitu jam kuarza masa kini, namun ia tetap berfungsi untuk menunjuk cara konsepnya.^[4] Jam atom persis yang pertama, iaitu piawaian sesium yang berdasarkan peralihan atom sesium-133 tertentu, dibina oleh Louis Essen di Makmal Fizik Negara di UK pada tahun 1955.^[5] Penentukuran jam atom piawaian sesium dilakukan dengan menggunakan skala masa astronomi iaitu masa efemeris (ephemeris time, ET).^[6] Ini telah membolehkan tercapainya definisi saat SI terkini yang dipersetujui antarabangsa berdasarkan masa atom. Kesamaan saat ET dengan saat SI (jam atom) disahkan berada dalam lingkungan 1 per 10¹⁰.^[7] Maka saat SI mewarisi kesan keputusan pereka asal skala masa efemeris untuk menentukan kepanjangan saat ET.

Jam atom optik strontium JILA berasaskan atom neutral. Pemancaran laser biru pada atom-atom strontium ultrasejuk dalam perangkap optik menguji kecekapan pancaran cahaya terdahulu dari laser merah merangsang atom-atom tersebut. Hanya atom-atom yang kekal dalam keadaan tenaga rendah bertindak balas dengan laser biru menyebabkan pendarfluor yang disaksikan di sini.^[8]

Sejak mula dibangunkan pada 1950-an, jam atom selama ini berasaskan peralihan hiperhalus (gelombang mikro) dalam hidrogen-1, sesium-133, dan rubidium-87. Jam atom komersil pertama adalah Atomichron buatan National Company. Lebih 50 buah jam ini dijual dari tahun 1956 hingga 1960. Perkakas yang sangat besar dan mahal ini akhirnya memberi laluan kepada peranti yang lebih kecil dan mudah disimpan dalam rak, seperti piawaian frekuensi sesium Hewlett-Packard model 5060 yang keluar pada tahun 1964.^[2]

Pada akhir 1990-an, empat faktor menyumbang kepada kemajuan besar dalam jam:^[9]

• Pendinginan laser dan pemerangkapan atom
• Rongga Fabry–Pérot kehalusan tinggi untuk mengurangkan lebar garis laser
• Spektroskopi laser persis
• Penghitungan frekuensi optik yang mudah dengan sisir optik

Pada Ogos 2004, para saintis NIST menunjuk cara jam atom sekecil cip.^[10] Menurut para penyelidik, jam ini dipercayai satu perseratus saiz mana-mana jam lain. Juga didakwa bahawa ia hanya memerlukan 75 mW, oleh itu sesuai untuk aplikasi pacuan bateri.

Mekanisme

Sejak tahun 1967, Sistem Unit Antarabangsa (SI) menakrifkan saat pada jangka masa 9 192 631 770 kitaran radiasi yang sepadan dengan peralihan antara dua tahap tenaga atom sesium-133.^[11]

Takrifan ini menjadikan pengayun sesium sebagai piawaian utama untuk sukatan masa dan frekuensi, iaitu piawaian sesium. Kuantiti fizik yang lain seperti volt dan meter bergantung pada takrifan saat dalam takrifan sendiri masing-masing.^[12]

Rujukan masa sebenar jam atom terdiri daripada pengayun elektronik yang beroperasi pada frekuensi gelombang mikro. Pengayun ini diatur agar komponen-komponen penentuan frekuensinya termasuk satu unsur yang boleh dikawal oleh isyarat maklum balas. Isyarat maklum balas tersebut memastikan pengayun setala bersalunan dengan frekuensi peralihan elektronik sesium atau rubidium.

Lihat juga

• Atomikron
• Bejana atom
• Waktu Atom Antarabangsa
• Protokol Waktu Rangkaian
• NIST-F1
• Jam Kuantum