Atomuhren sind für das tägliche Leben von entscheidender Bedeutung, da sie unserer Telekommunikation, Stromnetzen, GPS-Systemen, Transportmitteln und anderen Prozessen auf der ganzen Welt helfen, die genaue Zeit einzuhalten. Einige dieser Uhren verwenden Laser und spezielle Resonatorhohlräume, um Zeitintervalle zu messen. Sie gehören zu den genauesten Uhren der Welt und zu den zerbrechlichsten.
Die Cäsium-Atomuhren spielen eine tragende Rolle, da ein spezifischer, im atomaren Cäsium induzierter atomarer Übergang zur Definition der Zeiteinheit genutzt wird: der SI-Sekunde. Die Labore des National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, haben Atomuhren untergebracht – einschließlich der Cäsium-Atomuhr NIST-F1 die als primärer Zeit- und Frequenzstandard der Vereinigten Staaten dient – seit Jahrzehnten, während Forscher die Genauigkeit der Uhren durch Spitzenforschung weiter verbessern. Speziell für die NIST-F1-Cäsiumuhr umfasste dieser Prozess den Wiederaufbau von Teilen der Uhr.
Die NIST-F1-Uhr wird aufgrund der brunnenartigen Bewegung der Cäsiumatome in der Uhr, die zur Messung von Zeitintervallen verwendet wird, auch als „Brunnenuhr“ bezeichnet. Diese Cäsiumatome beginnen in einer speziellen Vakuumkammer, wo sechs Infrarot-Laserstrahlen die frei fliegenden Atome zu einer Kugel zusammentreiben. Während der Herstellung dieser Kugel wird das System auf nahezu den absoluten Nullpunkt (null Kelvin) gekühlt, um die Bewegung der Atome zu verlangsamen.
Nach dem Abkühlen werfen zwei vertikale Laser die Kugel aus Cäsiumatomen in einen nach oben gerichteten Bogen (den „Brunnen“) und dann werden alle Laserstrahlen abgeschaltet. Die Cäsiumkugel bewegt sich in einem speziellen, mit Mikrowellen gefüllten Hohlraum etwa einen Meter nach oben, was einige der Atome in der Kugel verändern kann. Die Kugel fällt dann herunter, und das Mikrowellenfeld kann erneut mit den Atomen interagieren, wodurch mehr von ihnen ihren Zustand ändern. Der endgültige atomare Zustand wird bestimmt, indem die durch einen anderen Laserstrahl induzierte Fluoreszenz der veränderten Atome gemessen wird.
Der gesamte Vorgang dauert etwa eine Sekunde und wird mehrmals wiederholt, um die richtige Frequenz zu finden, die den spezifischen Taktwechsel der Cäsiumatome anregt. Sobald die Mikrowellenfrequenz gefunden ist, bei der das mit den Cäsiumatomen wechselwirkende Mikrowellensignal eine maximale Menge von ihnen veranlassen würde, ihren Zustand zu ändern (bei maximaler Fluoreszenz), wird diese Frequenz dann verwendet, um eine Zeitsekunde zu definieren, indem genau 9.192.631.770 Signale gezählt werden Perioden (von den Wissenschaftlern gefunden) mit einem Zähler. Diese Definition wird dann zur Kalibrierung und genauen Zeitmessung auf andere Uhren angewendet.
Der Mikrowellenhohlraum ist ein entscheidender Teil des Zeitmessungsprozesses, und Forscher am NIST hofften, die Genauigkeit der Uhr durch den Wiederaufbau des gesamten Hohlraums verbessern zu können. „Wir hatten Probleme mit dem vorherigen Uhrenhohlraum, der die Genauigkeit der Uhr einschränkte“, erklärte NIST-Wissenschaftler Vladislav „Vladi“ Gerginov. „Eines der Probleme war das Material des Hohlraums (Aluminium).“
Da Atomuhren äußerst empfindlich auf Unvollkommenheiten in der Form des Hohlraums, der elektrischen Leitfähigkeit und der Politur reagieren, müssen die Materialien des Hohlraums aus dem richtigen Material bestehen und die genaue Form, Größe und Ausführung aufweisen, um Ungenauigkeiten der Uhr zu minimieren. „Einer der entscheidenden Schritte beim Bau einer Cäsiumuhr ist die Abstimmung der Frequenz des Hohlraums auf die Übergangsfrequenz von Cäsium“, erklärte der Instrumentenbauer Calvin Schwadron von JILA (einem gemeinsamen Institut von NIST und der University of Colorado Boulder). „Die Resonanzfrequenz eines Mikrowellenhohlraums hängt vom Volumen darin ab.“
Dazu stützten sich die Forscher auf die Expertise von JILA. Laut Curtis Beimborn, Leiter des Metrologielabors und Reinraums von WM Keck bei JILA, „ist die Qualität des Hohlraums (Q) sehr wichtig, um die Leistung der Uhr zu verbessern.“
Um das Q des Hohlraums zu erhöhen, arbeitete Gerginov mit den Maschinen- und Instrumentenwerkstätten von JILA zusammen und nutzte das Instrumentengeschäft und den Reinraum, um den neuen Mikrowellenhohlraum aus Kupfer zu bauen. „Es ist unglaublich selten, dass eine vollständige Werkstattzusammenarbeit wie diese stattfindet“, sagte JILA-Instrumentenbauer Adam Ellzey. „Wir haben alle sechs mit Vladi während der Designberatungen zusammengearbeitet sicher, dass unsere Teile passen und unsere Designs übereinstimmen. Die Herstellung von Komponenten einer Uhr, die der Zeitstandard der Nation sein wird, ist eine große Sache, die einiges an Überlegung erfordert hat. Es war erstaunlich, meinen Instrumentenbauerkollegen dabei zuzusehen, wie sie ihr Fachwissen unter Beweis stellten. Ich habe gelernt: a Tonne.“
Die JILA-Instrumentenshops sind ein Schlüsselfaktor, um JILA zu einer einzigartigen Forschungseinrichtung zu machen. Laut Kyle Thatcher, Leiter des Instrumentenshops, „besteht der wahre Wert des JILA Instrument Shops darin, dass Wissenschaftler die Möglichkeit erhalten, direkt mit Instrumentenbauern zusammenzuarbeiten, um ihre experimentellen Geräte zu realisieren. Das bedeutet, dass Wissenschaftler von der Konzeption an zusammenarbeiten können das Design, die Entwicklung, die Herstellung und das Testen ihres Geräts unter Verwendung des enormen, angesammelten institutionellen Wissens des Shops, zusätzlich mit der Open-Door-Policy des Instrument Shops und der Nähe [in the building for the case of JILA]ermöglicht eine sehr schnelle iterative Entwicklung, Fehlerbehebung und Gerätemodifikation [and] Reparatur.“
Dieser Prozess der engen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Instrumentenbauern ist in den meisten Forschungseinrichtungen eher selten anzutreffen, da Instrumentenbauer traditionell mit sehr wenig Hin und Her an Entwürfen arbeiten, die von den Wissenschaftlern bereitgestellt werden, wie Thatcher erklärte. Bei JILA ermöglicht die Zusammenarbeit zwischen den hauseigenen Geschäften und den Wissenschaftlern kundenspezifische Instrumente, die nirgendwo sonst zu finden sind. Dazu gehören die Teile für die Cäsiumuhr NIST-F1.
„The Instrument Shop konnte mit Vladi und seinem Kollegen zusammenarbeiten, um kritische Merkmale des Systems zu optimieren, darunter Materialauswahl, Komponentenreduzierung, Wartungsfreundlichkeit und Design für die Fertigung“, erklärte Thatcher. „Noch wichtiger war jedoch die Fähigkeit von Vladi, seine Testausrüstung von NIST in der Werkstatt einzurichten, wo er praktisch in Echtzeit die Leistung der hergestellten Teile quantifizieren konnte, wodurch die Fertigungsprozesse optimiert werden konnten die Fliege verbessert die Ergebnisse.“
Der Prozess der Erstellung eines neuen Hohlraums umfasste viele verschiedene Schritte, einschließlich eines ständigen Hin und Hers zwischen Gerginov und den Maschinisten bei der Gestaltung des Hohlraums. Nach ersten Tests des neuen Kupferhohlraums war Q etwa um den Faktor drei niedriger als erwartet, und Vladi vermutete, dass die Metalloberflächenbeschaffenheit im Inneren des Hohlraums schuld sein könnte, da die Mikrowellenfrequenzströme auf die Oberfläche des Metalls beschränkt sind , anstatt durch die Masse zu reisen [walls].
„Calvin und Vladi brachten es zum Optical Metrology Lab, und ich habe die Oberflächenrauheit für sie mit unserem optischen Profilometer gemessen“, erklärte Beimborn. „Sicher genug, die Rauheit war groß genug, dass all die winzigen Oberflächenfehler die Strecke, die die Mikrowellenfrequenzströme im Hohlraum zurücklegten, erheblich vergrößerten, was den Q-Faktor verringerte. Nach dieser Messung polierte Calvin das Innere des Hohlraums und ich glaube, Vladi hat sofort eine Verbesserung um den Faktor zwei im Q gesehen.“
Dank der engen Zusammenarbeit von NIST mit JILA wird der neue Hohlraum dazu beitragen, die NIST-F1-Cäsiumuhr wieder zum Laufen zu bringen. Wie Elizabeth Donley, Leiterin der Time and Frequency Division von NIST, sagte: „Die Hohlraumbearbeitung im JILA-Shop war ein sehr wichtiger Teil der Arbeit, um den Brunnen wieder online zu bringen, und wir sind sehr dankbar dafür. Es war großartig, das zu haben JILA-Shop als solch eine wertvolle lokale Ressource.“
Wenn die Uhr läuft und läuft, können NIST-Forscher weiter daran arbeiten, die Grenzen der Atomuhrenphysik zu erweitern. „Die Uhr wird bei NIST verwendet, um die offizielle NIST-Zeitskala sowie andere Atomuhren und Frequenzreferenzen zu kalibrieren“, fügte Gerginov hinzu.