שעון אטומי

שעון אטומי מבוסס על תהודה של צסיום - דגם 5061A של חטיבת המכשור של היולט פקארד, כיום אג'ילנט

שעון אטומי הוא שעון המבוסס על מעברים בין רמות אנרגיה אטומיות, היוצרים אות מחזורי בעל תדירות שהשינויים בה נמוכים במיוחד, ומנייתה מאפשרת את אמידת הזמן החולף בדיוק גבוה. שעונים אטומיים הם השעונים המדויקים ביותר בנמצא, והם משמשים כמקורות התקניים לזמן, בגלל דיוק התדירות הגבוה שלהם. אות השעון שיוצרים מספר שעונים אטומיים מופץ ברחבי העולם בדרכים שונות ומשמש, בין היתר, להפעלת רשתות טלפון ומערכות ניווט לווייניות.

לא כל שעון אטומי מראה את השעה. רוב המכשירים המכונים "שעון אטומי" מייצרים רק תדר כלשהו שדיוקו גבוה (שונותו נמוכה). הואיל והתדר ידוע, ניתן למנות את מספר המחזורים באות השעון וכך לעדכן את השעה. למשל, אם השעון מייצר אות בתדר 1 מגה הרץ, הרי מדי מיליון מחזורים חולפת שנייה אחת, ויש לקדם את הזמן המוצג, בהתאם. את מניית המחזורים מבצע מונה מתאים. כך למשל, אם אות השעון הוא גל מרובע, קל למנות את המחזורים על ידי ספירת מספר הפעמים שבהן האות חוצה את האפס.

שעונים אטומיים מסתמכים על תהודה אטומית, שיוצרת אות מחזורי שאותו מודד מונה (counter). השעונים האטומיים הראשונים התבססו על מייזרים (מכשירים המשתמשים בקרינה כדי להגביר גלי מיקרו). כיום השעונים האטומיים המתקדמים מבוססים על מערכות מתקדמות ומדויקות יותר, הכוללות אטומים "קרים" ועל מקורות אטומיים. מכונים לאומיים לתקנים מגיעים לסטיית שעון של פחות מ-10^-9 שניות (ננו-שנייה) ביום. השעונים מקיימים סקאלת זמן רציפה, הנקראת זמן אטומי בינלאומי (International Atomic Time) (TAI). לשימוש אזרחי קיימת סקאלה נוספת UTC Coordinated Universal Time (זמן אוניברסלי מתואם). UTC נגזר מ-TAI, אך מסונכרן עם מעבר הימים והלילות לפי תצפיות אסטרונומיות.

השעון האטומי הראשון נבנה ב-1949 במכון התקנים הלאומי האמריקאי. את השעון האטומי המדויק הראשון בנה לואיס אסן ב-1955 במעבדה הלאומית לפיזיקה (National Physical Laboratory) בבריטניה. שעון זה התבסס על מעברים של אטום צסיום-133. הדבר הוביל להגדרה בינלאומית מוסכמת כי יחידת הזמן "שנייה" תתבסס על זמן אטומי.

באוגוסט 2004 הציגו מדעני המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה בארצות הברית (NIST) (National Institute of Standards and Technology) שעון אטומי בגודל שבב. על פי החוקרים, גודל השעון הוא כמאית מגודלם של שעונים אטומיים אחרים. נטען גם כי הוא צורך רק 75 מיליוואט, דבר שהופך אותו יעיל לשימוש במכשירים ניידים המופעלים על ידי סוללות חשמליות.

לישראל ארבע שעונים אטומיים הממוקמים במעבדת הזמן הישראלית במעבדה הלאומית לפיזיקה שבאוניברסיטה העברית..

פעולת השעון האטומי

לבניית מייזרים היוצרים תדירות מדויקת, משתמשים בתאים שבהם גז מיונן לוהט, לרוב צסיום, שהוא היסוד המשמש להגדרה הבינלאומית של השנייה.

מאז 1967 מוגדרת השנייה במערכת היחידות הבינלאומיות SI כ-9,192,631,770 מחזורי מעבר (תדירות רטט) בין שתי רמות אנרגיה של אטום צסיום-133. ההגדרה הזו הופכת את מתנד הצסיום (הקרוי גם שעון אטומי) לתקן העיקרי עבור מדידות זמן ותדירות. יחידות פיזיקליות אחרות, כמו וולט ומטר, מסתמכות על ההגדרה של שנייה כחלק מהגדרתן.

ליבת השעון האטומי מורכבת מחלל ובו גלי מיקרו וגז מיונן, מתנד רדיו מתכוונן, ולולאת משוב המשמשת לכוון את המתנד לתדירות המדויקת של אפיון הקליטה, המוגדרת לפי תכונות אטומים בודדים. משדר המיקרוגל ממלא את התא בגלי רדיו עומדים. כאשר תדירות גלי הרדיו תואמת את תדירות המעבר של הצסיום, אטומי הצסיום בולעים את גלי הרדיו ופולטים אור.

גלי הרדיו מעוררים את האטומים (גורמים להם לעלות) לרמת אנרגיה גבוהה יותר, שבה המרחק הממוצע של האלקטרונים המעוררים מהגרעין הוא גדול יותר. כאשר האטום המעורר דועך בחזרה לרמת היסוד, נפלטת האנרגיה כפוטון, ואוסף הפוטונים הנפלטים יוצר אור שניתן לגילוי. תא פוטואלקטרי ממיר את האור הפוגע בו לזרם חשמלי. כאשר סוטה משדר הרדיו ותדירותו שונה מתדירות התהודה, יורדת עוצמת האור, ולולאת בקרה בשעון מסיטה את תדר משדר הרדיו בחזרה לתדר הנכון, כדי לפצות על השינוי, ומחזירה אותו לתדר התהודה.

התהליך מתבסס על עירור קוונטי של רמות אנרגיה באטום. בין כל שתי רמות אנרגיה באטום יש הפרש אנרגיה שאם נחלקו בקבוע פלאנק המצומצם נקבל את התדירות הדרושה בשביל לעורר את האטום מהרמה האחת לרמה הגבוהה יותר, שהיא $\omega =\Delta E/\hbar$ (תדירות זו נקראת תדירות תהודה). אם בוחרים את שתי הרמות כך שאין זוגות נוספים של רמות שהפרש האנרגיה ביניהן הוא דומה, אפשר להשתמש באטום כבוחן לתדירות הגל שפגע בו, שכן האטום יגיב רק לתדירות אחת - זו המתאימה להפרשי האנרגיה בין שתי הרמות - "תדירות תהודה".

בפועל, במקום מעברים בין שתי רמות משתמשים בתהודה של ספין של האלקטרון ברמת היסוד, וזאת מטעמים טכניים הקשורים לתדירויות שאפשר להפיק במעבדה ויכולת המנייה של המונים האלקטרוניים.

החלק המורכב ביותר בבניית שעון אטומי הוא תהליך הכוונון. בכוונון מנטרלים תופעות לוואי לא רצויות, כגון תדירויות ממעברי אלקטרונים אחרים, עיוותים של שדות קוונטיים והשפעות טמפרטורה במנגנון. לדוגמה, תדירות גלי הרדיו יכולה להיות מכוונת בצורה גלית מעלה ומטה כדי ליצור אות מאופנן בתא הפוטואלקטרי. אז אפשר להפריד מסר מאופנן מן האות של התא כדי ליצור סחף לזמן ארוך בתדירות הרדיו. בדרך זו, התכונות הקוונטיות המדויקות עד מאד של תדירות המעבר האטומית של הצסיום יכולה לשמש לכיוון מתנד המיקרוגל לאותה התדירות (פרט לסכום קטן של חריגה). כאשר שעון מודלק לראשונה, לוקח זמן מה עד שהוא מתייצב ומגיע לדיוקו המרבי.

מונה סופר את הגלים שמייצר משדר הרדיו. מחשב קורא את המונה, ומבצע המרה למספר כך שניתן להציגו כשעון דיגיטלי, או גל רדיו משודר.

שיטות אחרות לבניית שעונים אטומיים מיועדות לשימושים אחרים. שעוני רובידיום ידועים בזכות מחירם הנמוך וגודלם הקטן (עד כ-400 סמ"ק) ויציבות לזמן קצר. הם נמצאים בשימושים מסחריים, ניידים, ובתחום התעופה. מייזרי מימן (המיוצרים לעיתים קרובות ברוסיה) הם בעלי יציבות טובה יותר לזמן קצר, אך דיוק טוב פחות לאורך זמן.

לעיתים תקן אחד משמש לתיקון אחר: לדוגמה, שימושים מסחריים של תקן הרובידיום קיימים במקלטי GPS.

נושא פרקטי חשוב הוא משך חיי המדף. לשפופרות רובידיום אורך חיים של למעלה מ-10 שנים ומחירן כ-50 דולר. לעומת זאת, אורך החיים של שפופרות צסיום לשימושים לאומיים הוא כ-7 שנים ומחירן כ-$35,000. להתקני מימן חיי מדף בלתי מוגבלים.

מחקר

רוב המחקר על שעונים אטומיים עוסק בהקטנת ממדיהם, תוך שמירה על דיוק, אמינות ומחיר נמוך, דרישות שבבסיסן סותרות זו את זו.

מחקר רב מתרכז בסוגים שונים של מלכודות יונים. תאורטית, יון בודד אשר מושהה אלקטרומגנטית, יכול להיבחן זמן ארוך, דבר העשוי להעלות את דיוק השעון, כמו גם גודלו וצריכת האנרגיה שלו.

במציאות, שעונים חד-יוניים אינם בעלי דיוק מעולה לזמן קצר, בשל התנועה הרבה של היונים. במחקר משתמשים בקירור לייזר של יונים, עם מהודים (מכשירים המגבירים גלים על ידי תהודה) המגדילים את היציבות לזמן קצר. רוב הקושי נעוץ בנטרול הטמפרטורה ותוצרים מכניים של הרעש במהודים ובלייזרים. השיטה הטובה ביותר כיום היא קירור מהודי ספיר לטמפרטורה של הליום נוזלי. על אף שמלכודת היונים קטנה מאד, הציוד הנלווה עדיין גדול.

כמה חוקרים פיתחו שעונים עם גאומטריות שונות של מלכודות יונים. לעננים לינאריים של יונים יש דיוק טוב יותר לזמן קצר מאשר זה של יונים בודדים.

המערכות הטובות ביותר משתמשות ביונים של כספית. יונים נוספים עומדים כיום לניסויים. לאיזוטופ מסוים של איטרביום יש תדירות תהודה מדויקת באחד ממצבי המעבר שלו. לסטרונציום יש מצב מעבר שאינו מדויק, אך ניתן לשלוט בו בלייזרים. הדבר יכול לאפשר שעון זול, קומפקטי ועמיד לטווח ארוך.

קישורים חיצוניים

• הסבר לא מסובך על פעולת השעון האטומי, מתוך בלוג לנושאי מדע
• מדידת זמן, שדות מתנודדים, מייזר מימן, מלכודות יונים מחקר שזיכה בפרס נובל בפיזיקה, באתר "סנונית"
• ידיעה על פיתוח שעון אטומי חדש לפי יון בודד, באתר "הידען"
• הערך מערכות זמן באתר אסטרופדיה
• אודי לם, ‏שעון אטומי קומפקטי, באתר "הידען", 19 בנובמבר 2014