חוקרים פיתחו שיטת שעון אטומי חדשה המשתמשת באטומים בעלי קרינה על, שמבטיחה דיוק חסר תקדים במדידת זמן. התקדמות זו, מפורטת ב תקשורת טבע, יכול לשפר את דיוק ה-GPS, לסייע בניווט בחלל ולשפר ניטור געשי ורעידות אדמה. קרדיט: twoday.co.il.com
אטומי סופר-קרינה מציעים שיטה פורצת דרך למדידת זמן ברמת דיוק חסרת תקדים. במחקר שפורסם לאחרונה על ידי כתב העת המדעי תקשורת טבע, חוקרים מאוניברסיטת קופנהגן מציגים שיטה חדשה למדידת מרווח הזמן, שניות, שמתגברת על חלק מהמגבלות שאפילו השעונים האטומיים המתקדמים ביותר של ימינו נתקלים בהן. לקידום זה עשויות להיות השלכות נרחבות בתחומים כמו חקר חלל, ניטור געשי ו ג'י.פי. אס מערכות.
השנייה, שהיא יחידת המדידה המוגדרת בצורה המדויקת ביותר, נמדדת כיום על ידי שעונים אטומיים במקומות שונים בעולם שמספרים לנו יחד מה השעה. באמצעות גלי רדיו, שעונים אטומיים שולחים אותות ברציפות המסנכרנים את המחשבים, הטלפונים והשעונים שלנו.
תנודות הן המפתח לשמירת זמן. בשעון סבא, התנודות הללו הן מנדנדה של מטוטלת מצד לצד בכל שנייה, בעוד שבשעון אטומי מדובר בקרן לייזר התואמת למעבר אנרגיה בסטרונציום ומתנדנדת כמיליון מיליארד פעמים בשנייה.
הכדור הזוהר באמצע המכונה "מלכודת מגנטו-אופטית" (MOT), מורכב מכ-300 מיליון אטומי סטרונציום התלויים בתא ואקום שמקורר מעט מעל האפס המוחלט. מלכודת זו שימשה חוקרים לפיתוח טכניקות חדשות למדידת זמן. קרדיט: אליוט בוהר
עם זאת, לדברי עמית הדוקטורט אליוט בוהר ממכון נילס בוהר, אפילו שעונים אטומיים יכולים להיות מדויקים יותר. הסיבה לכך היא שלייזר הזיהוי, המשמש את רוב השעונים האטומיים המודרניים לקריאת תנודת האטומים, מחמם את האטומים עד כדי כך שהם בורחים, ובכך פוגע בדיוק.
"מכיוון שצריך כל הזמן להחליף את האטומים באטומים חדשים טריים, בזמן שמכינים אטומים חדשים, השעון מאבד זמן במעט. לכן, אנו מנסים להתגבר על כמה מהאתגרים והמגבלות הנוכחיים של השעונים האטומיים הטובים בעולם, בין היתר על ידי שימוש חוזר באטומים כך שלא יהיה צורך להחליף אותם בתדירות גבוהה", מסביר בוהר שהועסק ב- מכון נילס בוהר כאשר ערך את המחקר, אך כעת הוא עמית דוקטורט באוניברסיטת קולורדו.
קרינת על וקירור עד לאפס מוחלט
המתודולוגיה הנוכחית מורכבת מתנור חם שיורק בערך 300 מיליון אטומי סטרונציום לתוך כדור קריר במיוחד של אטומים קרים המכונה מלכודת מגנטו-אופטית, או MOT. הטמפרטורה של אטומים אלה היא בערך -273 מעלות צלזיוס – קרוב מאוד אפס מוחלט – ויש שתי מראות עם שדה אור ביניהן כדי לשפר את האינטראקציות האטומיות. בוהר ועמיתיו למחקר פיתחו שיטה חדשה לקריאת האטומים.
"כשהאטומים נוחתים בתא הוואקום, הם שוכבים לגמרי בשקט כי כל כך קר, מה שמאפשר לרשום את התנודות שלהם עם שתי המראות בקצוות מנוגדים של החדר", מסביר בוהר.
אליוט בוהר (משמאל) ועמיתו סופוס לגונה קריסטנסן החלו את הניסויים במכון נילס בוהר. קרדיט: אולה ג'יואנסן, NBI.
הסיבה לכך שהחוקרים לא צריכים לחמם את האטומים בלייזר ולהשמיד אותם היא הודות לתופעה פיזיקלית קוונטית המכונה 'קרינת על'. התופעה מתרחשת כאשר קבוצת אטומי הסטרונציום מסתבכת ובמקביל פולטת אור בשדה שבין שתי המראות.
"המראות גורמות לאטומים להתנהג כיחידה אחת. ביחד, הם פולטים אות אור רב עוצמה שאנו יכולים להשתמש בו כדי לקרוא את המצב האטומי, צעד מכריע למדידת זמן. השיטה הזו מחממת את האטומים בצורה מינימלית, אז הכל קורה בלי להחליף את האטומים, ויש לזה פוטנציאל להפוך אותה לשיטת מדידה מדויקת יותר", מסביר בוהר.
GPS, משימות חלל והתפרצויות געשיות
לדברי בוהר, תוצאת המחקר החדשה עשויה להועיל לפיתוח מערכת GPS מדויקת יותר. בערך 30 הלוויינים שמקיפים ללא הרף את כדור הארץ ואומרים לנו היכן אנו נמצאים זקוקים לשעונים אטומיים כדי למדוד זמן.
"בכל פעם שלוויינים קובעים את המיקום של הטלפון או ה-GPS שלך, אתה משתמש בשעון אטומי בלוויין. הדיוק של השעונים האטומיים כל כך חשוב שאם השעון האטומי הזה כבה במיקרו-שנייה, זה אומר אי דיוק של כ-100 מטר על פני כדור הארץ", אמר בוהר.
לשעונים אטומיים מדויקים יותר עשויה להיות השפעה משמעותית גם על משימות חלל עתידיות.
"כשאנשים ואומנות נשלחים לחלל, הם מתרחקים עוד יותר מהלוויינים שלנו. כתוצאה מכך, הדרישות למדידות זמן מדויקות לניווט בחלל הן הרבה יותר גדולות", הוא אומר.
התוצאה יכולה להועיל גם בפיתוח של דור חדש של שעונים אטומיים ניידים קטנים יותר שיכולים לשמש ליותר מאשר "רק" מדידת זמן.
"שעונים אטומיים רגישים לשינויי כבידה ולכן ניתן להשתמש בהם כדי לזהות שינויים במסה ובכבידה של כדור הארץ, וזה יכול לעזור לנו לחזות מתי יתרחשו התפרצויות געשיות ורעידות אדמה", אומר בוהר.
למרות שהוא מבטיח מאוד, בוהר מדגיש שהשיטה החדשה הזו לשימוש באטומים סופר-קריניים היא עדיין "הוכחה לקונספט" שזקוקה לשיפור נוסף.
