Bir atom saati nasıl yeniden inşa edilir
Atomik saatler, telekomünikasyon, elektrik şebekeleri, GPS sistemleri, ulaşım ve dünyanın dört bir yanındaki diğer süreçlerin hassas zaman tutmasına yardımcı olduklarından günlük yaşam için çok önemlidir. Bu saatlerden bazıları zaman aralıklarını ölçmek için lazerler ve özel rezonatör boşlukları kullanır. Bunlar dünyadaki en hassas ve en kırılgan saatlerden bazılarıdır.
Sezyum atomik saatleri önemli bir rol oynar, çünkü atomik sezyumda indüklenen belirli bir atomik geçiş, zaman birimini tanımlamak için kullanılır: SI saniyesi. Boulder, Colorado’daki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) laboratuvarları, Amerika Birleşik Devletleri’nin birincil zaman ve frekans standardı olarak hizmet veren sezyum atom saati NIST-F1 de dahil olmak üzere atom saatlerine onlarca yıldır ev sahipliği yapıyor ve araştırmacılar en son araştırmalarla saatlerin doğruluklarını geliştirmeye devam ediyor. Özellikle NIST-F1 sezyum saati için bu süreç, saatin parçalarının yeniden inşa edilmesini de içeriyor.
NIST-F1 saati, zaman aralıklarını ölçmek için kullanılan saatin içindeki sezyum atomlarının fıskiye benzeri hareketi nedeniyle “fıskiye saati” olarak da adlandırılıyor. Bu sezyum atomları, altı kızılötesi lazer ışınının serbest uçuşan atomları bir top haline getirdiği özel bir vakum odasında başlar. Bu topun oluşturulması sırasında sistem, atomların hareketini yavaşlatmak için mutlak sıfıra (sıfır Kelvin) yakın bir değere kadar soğutuluyor.
Soğutmanın ardından, iki dikey lazer sezyum atomları topunu yukarı doğru bir kavise (“fıskiye”) fırlatır ve ardından tüm lazer ışınları kapatılır. Sezyum topu, topun içindeki bazı atomları değiştirebilecek özel bir mikrodalga dolu boşlukta yaklaşık bir metre yukarı doğru hareket eder. Top daha sonra düşer ve yine mikrodalga alanı atomlarla etkileşime girerek daha fazlasının durum değiştirmesine neden olabilir. Nihai atomik durum, başka bir lazer ışını tarafından indüklenen değiştirilmiş atomların floresanının ölçülmesiyle belirlenir.
Tüm süreç yaklaşık bir saniye sürer ve sezyum atomlarının belirli saat geçişini uyaran doğru frekansı bulmak için birçok kez tekrarlanır. Sezyum atomlarıyla etkileşime giren mikrodalga sinyalinin maksimum miktarda atomun durumunu değiştirmesine (maksimum floresan) neden olacağı mikrodalga frekansı bulunduğunda, bu frekans daha sonra bir sayaçla tam olarak 9.192.631.770 sinyal periyodunu (bilim insanları tarafından bulunan) sayarak bir saniyelik zamanı tanımlamak için kullanılır. Bu tanım daha sonra kalibrasyon ve doğru zaman tutma için diğer saatlere uygulanır.
Mikrodalga boşluğu zaman tutma sürecinin çok önemli bir parçası ve NIST’teki araştırmacılar tüm boşluğu yeniden inşa ederek saatin doğruluğunu artırmayı umuyor. NIST bilim insanı Vladislav “Vladi” Gerginov, “Önceki saat boşluğunda saatin doğruluğunu sınırlayan sorunlarımız vardı” dedi. “Sorunlardan biri boşluğun malzemesiyle (alüminyum) ilgiliydi.”
Atomik saatler boşluğun şekli, elektrik iletkenliği ve cilasındaki kusurlara karşı son derece hassas olduğundan, boşluğun malzemelerinin doğru malzemeden yapılmış olması ve saat hatalarını en aza indirmek için tam şekle, boyuta ve kaplamaya sahip olması gerekir. JILA’dan (NIST ve Colorado Boulder Üniversitesi arasında ortak bir enstitü) alet yapımcısı Calvin Schwadron, “Bir sezyum saati oluşturmanın en önemli adımlarından biri, boşluğun frekansını sezyumun geçiş frekansına uyacak şekilde ayarlamaktır” dedi. “Bir mikrodalga boşluğunun rezonansa girdiği frekans, içindeki hacme bağlıdır.”
Bunu yapmak için araştırmacılar JILA’da bulunan uzmanlığa dayandılar. JILA’daki W.M. Keck Metroloji Laboratuvarı ve Temiz Oda Başkanı Curtis Beimborn’a göre, “Saatin performansını artırmak için boşluğun kalitesi (Q) çok önemlidir.”
Boşluğun Q değerini artırmak için Gerginov, JILA’daki makine ve alet atölyeleriyle işbirliği yaptı ve yeni mikrodalga boşluğunu bakırdan inşa etmek için alet atölyesini ve temiz odayı kullandı. JILA alet yapımcısı Adam Ellzey, “Böyle bir tam atölye işbirliğine sahip olmak inanılmaz derecede nadir bir durum” diyor ve ekliyor: “Altımız da tasarım danışmanlığı sırasında Vladi ile birlikte çalıştık. İmalat aşamasında, parçalarımızın birbirine uyduğundan ve tasarımlarımızın uyumlu olduğundan emin olmak için hepimiz düzenli olarak birbirimizi kontrol ediyoruz. Ülkenin zaman standardı olacak bir saatin parçalarını yapmak, gerçekten üzerinde düşünülmesi gereken büyük bir iş. Enstrüman yapımcısı arkadaşlarımın uzmanlıklarını sergilemelerini izlemek inanılmazdı. Çok şey öğrendim.”
JILA alet atölyeleri, JILA’yı eşsiz bir araştırma kurumu haline getiren önemli bir faktördür. Alet atölyesi müdürü Kyle Thatcher’a göre, “JILA Alet Atölyesi’nin gerçek değeri, bilim insanlarının deneysel cihazlarını gerçekleştirmek için doğrudan alet üreticileriyle çalışma fırsatına sahip olmalarıdır. Bu da bilim insanlarının, atölyenin geniş kurumsal bilgi birikiminden yararlanarak cihazlarının tasarımı, mühendisliği, imalatı ve test edilmesi konularında işbirliği yapabilecekleri anlamına geliyor. Ayrıca, Alet Atölyesi’nin açık kapı politikası ve [JILA örneğinde binanın] bu kadar yakın olması, çok hızlı yinelemeli geliştirme, sorun giderme ve cihaz modifikasyonu [ve] onarımına olanak tanıyor.”
Thatcher’ın da açıkladığı gibi, bilim insanları ve alet yapımcıları arasındaki bu yakın işbirliği süreci çoğu araştırma kurumunda oldukça nadirdir, çünkü geleneksel olarak alet yapımcıları bilim insanları tarafından sağlanan tasarımlar üzerinde çok az ileri geri yaparak çalışırlar. JILA’da, kurum içi atölyeler ve bilim insanları arasında sağlanan işbirliği, başka hiçbir yerde bulunmayan özel yapım aletlere izin veriyor. Buna NIST-F1 sezyum saatinin parçaları da dahildir.
Thatcher, “Alet Atölyesi, Vladi ve meslektaşıyla birlikte çalışarak malzeme seçimi, bileşen azaltma, servis kolaylığı ve üretim için tasarım dahil olmak üzere sistemin kritik özelliklerini optimize etmeye yardımcı oldu” dedi. “Ancak daha da önemlisi, Vladi’nin NIST’ten aldığı test ekipmanını atölyede kurabilmesi ve bu sayede üretilen parçaların performansını gerçek zamanlı olarak ölçebilmesi ve böylece üretim süreçlerinin anında değiştirilerek sonuçların iyileştirilebilmesiydi.”
Yeni bir boşluk yaratma süreci, Gerginov ve makinistler arasında boşluğun tasarımı konusunda sürekli bir ileri geri gidiş geliş de dahil olmak üzere birçok farklı adımı içeriyordu. Yeni bakır boşluğun ilk testinden sonra, Q değeri beklenenden yaklaşık üç kat daha düşüktü ve Vladi, mikrodalga frekans akımları yığın [duvarlar] boyunca ilerlemek yerine metalin yüzeyiyle sınırlı olduğu için boşluğun içindeki metal yüzey kaplamasının suçlu olabileceğinden şüphelendi.
Beimborn, “Calvin ve Vladi bunu Optik Metroloji Laboratuvarı’na getirdiler ve ben de optik profilometremizi kullanarak onlar için yüzey pürüzlülüğünü ölçtüm” dedi. “Pürüzlülük yeterince büyüktü, öyle ki tüm küçük yüzey kusurları mikrodalga frekans akımlarının kavite içinde kat ettiği mesafeye oldukça fazla katkıda bulunuyordu ve bu da Q faktörünü azaltıyordu. Bu ölçümden sonra Calvin kavitenin içini cilaladı ve inanıyorum ki Vladi Q’da hemen iki kat iyileşme gördü.”
NIST’in JILA ile yakın işbirliği sayesinde, yeni kavite NIST-F1 Sezyum saatinin tekrar çalışmasına yardımcı olacak. NIST’in Zaman ve Frekans Bölümü Şefi Elizabeth Donley şunları söyledi: “JILA atölyesindeki kavite işleme, fıskiyeyi tekrar çevrimiçi hale getirme çalışmalarının çok önemli bir parçası oldu ve bunun için çok minnettarız. JILA atölyesinin böylesine değerli bir yerel kaynak olması harika bir şey.”
Saatin çalışır hale gelmesiyle birlikte NIST araştırmacıları atomik saat fiziğinin sınırlarını zorlamak için çalışmaya devam edebilecekler. Gerginov, “Saat, NIST’te resmi NIST zaman ölçeğinin yanı sıra diğer atomik saatleri ve frekans referanslarını kalibre etmek için kullanılacak” diye ekledi.
Kaynak: https://phys.org/news/2022-12-rebuild-atomic-clock.html
Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı phys.org sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.
