Nowa definicja sekundy
Kiedy powstawał Międzynarodowy Układ Jednostek Miar (SI), czas trwania sekundy definiowano na podstawie czasu efemerydalnego. Pomiar przejścia między dwoma poziomami struktury nadsubtelnej stanu podstawowego pozwolił na dokładniejsze określenie czasu jej trwania. Na przestrzeni lat powstała nowa generacja zegarów atomowych, oparta na przejściach optycznych, a ich niezakłócona częstotliwość umożliwiła uzyskanie dokładności przewyższającej wcześniejsze wersje sekundy. Aby sprawdzić poprawność działania tych zegarów optycznych i włączyć je do międzynarodowego systemu pomiaru czasu, potrzebne jest bezpośrednie porównanie pracy takich zegarów, ponieważ tylko porównania in situ mogą zostać przeprowadzone z należytą dokładnością. Mimo że zbudowano światłowodowe łącza częstotliwościowe o ekstremalnie niskiej niepewności, tylko niewielka część z nich może zostać wykorzystana w porównaniu pracy zegarów. Ponadto, niepewność dotycząca kształtu geoidy wpływa na wszystkie zdalne porównania za sprawą grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, a tym samym dochodzi do zmniejszenia wszelkich porównań zdalnych. Finansowany ze środków UE projekt CLOCKLIGHT (Light for clocks) zainicjowano w celu zbudowania komponentów przenośnego zegara, umożliwiającego przeprowadzenie takich badań porównawczych. W ciągu trzech lat realizacji projektu uczeni pracowali nad ścisłymi wymaganiami dotyczącymi rozmiarów i wytrzymałości wszystkich elementów zegara, w tym w szczególności źródeł światła. Większość jonów w zegarach optycznych ma budowę atomową przypominającą metale alkaliczne. Zespół CLOCKLIGHT przeanalizował możliwości wykorzystania jonów strontu, w tym w szczególności jonu 88Sr+. We wszystkich zegarach optycznych musi znajdować się stosunkowo skomplikowany zespół lasera, który ładuje pułapkę i napędza sekwencję pomiarową, polegającą na schłodzeniu jonu, wzbudzeniu przejścia zegarowego, a następnie wykryciu stanu jonu. Jon 88Sr+ jest schładzany i wykrywany przy pomocy lasera stymulującego przejście odpowiednio od kwadrupolu 2S1/2 do 2P1/2 oraz od 2S1/2 do 2D5/2. Do ładowania pułapki stosuje się dwuetapową fotojonizację, opartą na połączeniu szerokopasmowych i wąskopasmowych źródeł lasera do wprowadzenia jonu w stan autojonizacji. W celu chłodzenia jonu zbudowano niebieski laser stabilizowany grzebieniem częstotliwości, a do utrzymywania jonu w cyklu chłodzenia niespolaryzowane, niekoherentne źródło światła z pompą powrotną, które zapobiega nabudowywaniu się ciemnych stanów nawet w przypadku zerowych pól magnetycznych. Zaproponowane źródło światła zmontowano w laboratorium. Składa się ono z lasera z pompą diodową i innych standardowych komponentów światłowodowych. Brak konieczności stabilizacji częstotliwości czy zewnętrznej modulacji polaryzacji sprawia, że jest on prosty i niezawodny. Emitowane światło jest niespolaryzowane, a jego koherencja przestrzenna jest podobna jak w przypadku lasera. Źródło takie można skupić na punkcie o wielkości wymaganej do schwytania jonu. Te wyjątkowe cechy sprawiają, że źródło światła nadaje się do wykorzystania w przenośnym jonowym zegarze optycznym. W zegarze atomowym potrzebny jest jednak także laser wywołujący, służący do sondowania przejścia zegarowego. Ponieważ przejście zegarowe jest bardzo wąskie, uczeni opracowali złożoną, wieloetapową metodę stabilizacji diod laserowych, która powinna zapewnić wystarczającą czystość spektralną. Działanie wszystkich nowych komponentów przenośnego zegara atomowego zostanie ocenione po uruchomieniu zegara opartego na pojedynczym jonie w Centrum Metrologii i Akredytacji (MIKES).
Słowa kluczowe
Sekunda, przenośny zegar, zegary atomowe, CLOCKLIGHT, jony strontu, wzmocniona emisja spontaniczna
