שעון אטומי אופטי

שעון אטומי אופטי הוא שעון אטומי רגיל, מלבד העובדה שהוא משתמש בלייזר ובמסרק תדרים במקום גלי מיקרו ומונה שבהם משתמשים בשעון אטומי. כמו כל שעון אטומי אחר, הוא מורכב ממתנד (קוורץ), ממונה וממערכת משוב עצמי, העוזרת לשעון לתקן את עצמו במקרה של פגיעה או אי-דיוק מצד אחד המרכיבים שלו.

הפיתוח של מסרק התדרים ושל מעבר מגלי מיקרו לגלי אור בטווח אופטי זיכה את ג'ון הול ותיאודור הנש בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2005.

מרכיבי השעון

השעון מורכב ממספר רכיבים שונים:

• לייזר פולסים – לייזר הפולט אור בהפרעות בודדות, קצרות ויחסית חזקות. הלייזר מכוון לתדר המעבר הקוונטי של האלקטרונים באטום.
• גביש קוורץ – המתנד. הוא מחובר במעגל סגור למונה וללייזר. בעל מערכת משוב עצמית המבוססת על התכונות הפיאזואלקטריות, הפעלת לחץ גורמת ליצירת מתח חשמלי, של הקוורץ.
• מונה – מכשיר הקולט את הלייזר ואחראי להעברת פולס חשמלי לקוורץ אם התדר שונה במקצת, כדי שהתדר יחזור לתפקודו המקורי ויתקן את השגיאה בלייזר.

הדרך לפיתוח השעון

בשביל לפתח שעון זה היה הצורך בטכנולוגיות חדשות, כמסרק התדרים וסריגים אופטיים. מכשול מרכזי בפיתוח שעון אטומי אופטי היה הקושי שיש במדידה ישירה ומדויקת של תדרים אופטיים. בעיה זו נפתרה בעזרת לייזר פולסים במהוד אופטי שיינעל על התדר של האטום.

נעילה – שינוי תדר המתנד על ידי שינוי הטמפרטורה, יצירת שדה חשמלי ובדיקה של תגובת האטום; אם האטום מגיב ויש מעבר קוונטי באלקטרונים, ניתן לדעת שהתדר נכון.

התדרים שיוצרים התאבכות בונה במהוד צריכים להיות כפולה שלמה של תדר בסיסי. לייזר יכול להציג תחום נרחב של תדרים שונים בבת אחת, שניתן להציגם כמטוטלות, ושכולם כפולה שלמה של תדר בסיסי, ולכן לאחר זמן המחזור של התדר הבסיסי כל ה"מטוטלות" יתנדנדו ביחד, וזה מתבטא כפולס. את התדרים האלו ניתן לייצג כגרף שנראה כמו מסרק, ומכאן השם "מסרק תדרים".

המרחק בין "שיני" המסרק הוא התדר הבסיסי. "גלגל השיניים" יכול לחלק למספרים גבוהים בכל פעם, ולכן אם התדר של אחת מהמטוטלות יינעל לתדר האטום, ניתן יהיה לספור ולחשב אותו ביתר קלות על ידי מסרק תדרים. במקום שהאטומים יתנדנדו בתדר של 9,192,631,770 פעמים בשנייה, שזהו התדר של גלי מיקרו, כמו בשעון אטומי רגיל, האטומים בשעון אטומי אופטי מתנדנדים בקצב של כ-5*10^15 פעמים בשנייה. ככל שטכנולוגיה זו "מפלחת" את השנייה לפרוסות דקות יותר, כך גובר דיוק השעון.

שימושי השעון

צוותי מחקר רבים מנסים להפוך את השעון האטומי האופטי לשמיש במטרה להכניס אותם לתחנות קרקע לווייניות, ובעתיד גם ללוויינים וחלליות. בלוויינים יש שעונים אטומיים, וכל כמה זמן הלוויינים שולחים אותות זמן אחד לשני, ועל ידי הפרשי הזמנים ומיקום הלוויינים ניתן לדעת את המיקום של חפץ כלשהו, כמו בשימוש במערכת ה-GPS. ככל שהשעון יהיה יותר מדויק- כך גם מיקום החפץ יהיה יותר מדויק, עד לרמת דיוק של סנטימטרים ואף מילימטרים.