Atom saatleri içinde bazıları 100 milyon yıllık süre içinde sadece 1 saniye hata yaparlar. Daha iyileri ise günümüz teknolojisi ile artık mümkün hale gelmiş durumda. Bu nedenle zaman ölçmek açısından en yüksek doğruluklu mekanizmalardan birisidir.
Atomik saatler frakans üretme yoluyla zamanı işletirler. Dijital teknolojilerde de benzer mekanizmalar bulunmaktadır. Fakat atom saatlerinde bu biraz farkıdır. Atom saatlerindeki ışımalar atomun sahip olduğu enerjiden dolayı atomik enerji seviyesindeki ışımalardır. Bunlar kullanılan elementin karakteristiğine göre farklılık taşır.
Isidor Isaac Rabi 1930’lu yıllarda nükleer manyetik rezonans yardımıyla bir atom saati geliştirilebileceği fikrini ortaya attı. İlk atom saati, 1949 Amerikan Ulusal Standart ve Teknoloji Enstitüsü tarafından geliştirildi. Bu saatin hassasiyeti düşüktü fakat zamanla daha hassas olanları geliştirildi. 1952’de kurum sezyum atom saati ürettiğini duyurdu. 1955 yılında ise İngiltere Ulusal Fizik Laboratuvarı ilk sezyum ışın saatini yaptı. 1968 yılında üretilen NBS-4 uzun bir süre tahtı kimseye kaptırmadı. 1999 yılında NIST-F1 keşfi, 2004 NIST’in çip boyutunda atom saatleri ile çok daha hassas ve mobil mekanizmalar üretilmektedir.
Son geliştirilmiş olan atom saati stronsiyum ile yapıldı ve 14 milyar yılda (yani büyük patlamadan bugüne) çalıştığı varsayılsa 1 saniyede daha az bir hata hassasiyetine sahip olurdu.
Atom saatler, modern zaman bakış açısından bir saniyenin kesin aralığını yüksek hassaslıkta ölebilmek için tasarlanmışlardır. Uluslararası Birimler Sistemi’nde (SI) saniye, 1967 yılında Sezyum-133 atomunun 9.192.631.770 kez salıım yaptığı aralık olarak tanımlamıştır. Bu zaman standartına sezyum standartı denir. Uluslararası standart zaman birimi ise dünyada bulunan 200 atom saatinin ortalaması alınarak belirleniyor.
Tanıma baktığımızda daha fazla ayrıntı da görürüz.
“Saniye Sezyum-133 atomunun en düşük enerji seviyesinde 2 aşırı ince yapıdaki seviye arasındaki geçiş ışımasının 9.192.631.770 peryodunda karşılık gelen zaman aralığıdır.”
Atom Saatleri Nasıl Çalışır?
Atom saati, eski saatlerdeki sarkaç davranışlarına benzer şekilde salınır. Fakat, tabii ki onlardan daha hassas salınım yaparlar. Çünkü salınım yüksek bir frekansta ve daha kararlı bir yapıdadır.
Atom saatleri çok çeşitlidir fakat genellikle çalışma prensipleri benzerdir.
Öncelikle atomlar beli bir enerjiye sahip olmaları açısından enerji verilirler. Her atom muhtemel 2 tane enerji seviyesine sahiptir. Bunlar hiperfin seviyeleri olarak adlandırılır. Manyetik alan bu seviyelerden 2. durumdakilerin ışımalarını yok eder ve sadece 1. durumdaki atomlar kalır.
1. durumda kalan atomlar, 2. duruma dönüşeceği mikrodalga ışımalarına maruz bırakan bir yankılayıcı (rezonatör) yardımıyla gönderilir. Bu süreç sonunda hala 1. durumda kalmışlarsa, rezonatörün ardında ikinci bir manyetik alan bu atomları uzaklaştırır. Bir detektör aracılığıyla son durumda kalanların hepsi sayılır.
Daha açık haliyle;
Bu saatler elektromanyetik alanda titreşim ve salınımda kalibre ediliyor. Atomlar 6 yönden gelen lazer tarafından ışınla yüklenirler ve yavaşlatılmış olurlar. Bu durumda lazerin atomları sıkıştırması sonucu titreşim yapamaz hale gelirler. Atomun sıcaklıkları mutlak sıfıra yaklaştırılmış olurlar. Mikrodalga ya da görünür ışık ışımaları ile daha yüksek enerji seviyelerine yükseltilen bu atomlar, bu enerji kazanmanın sonucunda mikrodalga ışıması yaparak eski düzeyine geri dönüyorlar. Isıtılmış olan atomlar gaz haline dönüştürülür ve bir tüp yardımıyla manyetik alana aktarılırlar. Doğal frekanslarına eş bir mikrodalga ile enerji yüklenen atomlardan enerji seviyesi farklı olanlar manyetik alan yardımıyla dışarı atılırlar. Geriye kalan atomlar arasında kristal osilatörün doğal salınım vermeyen atomları belirlemesi ile, doğru salınımdaki atomlar elde edilir.
Durumlarını rezonatörden geçerken değiştiren atımların oranı, mikrodalga ışımanın frekansına bağlıdır. Bu frekans atomların doğal salınım sıklığı ile ne kadar çok eşleşirse, o kadar çok atomun durumu değişmiştir. Amaç mikrodalga ışıma frekansını atom salınımına daha fazla ayarlamaktır ve ardından da ölçmeyi gerçekleştirmektir. Bu kalibrasyon (ayarlama) işlemi sonucunda verilen ışıma dalgasının frekansı ile atomun doğal salınım süresi eşitlenmiş olur. Bu sabitlenen frekanstan atom frekansının sapmaları belirlenebilmektedir. Bu farklılıktaki küçüklük ise atomun kararlılığını ortaya koyuyor. Kararlılık salınım sürelerinin birbirine eşit olması anlamı taşıyor. Atom sayısının çokluğu ise saatin kararlılığını arttırıyor. Ölçmenin ardından 9.192.631.770 salınım sonra ise 1 saniye geçmiş olur.
Atom Saati Örnekleri
Atom saatleri için en yaygın kullanılan atomlar sezyum, rubidyum ve hidrojen atomlarıdır. Bunların kullanılma nedenleri diğer atomlara göre zaman tespit etmek için daha fazla avantaja sahiptirler. Kısa zaman dilimlerinde hidrojen daha yüksek doğruluk sağlarken, uzun vadede sezyum daha yüksek doğruluk sunabilmektedir.
Atom saati doğrulukları değişiklik gösterir. Colorado’da bulunan NIST-F1 saati 100 milyon yılda 1 saniye beklenen hata değeri ile dünyadaki en hassas saatlerden biridir.
NIST için 2 iteryum atom saatinde bulunan kararlılık 1 kentilyonda 2’den küçük bir değer sahip. Bunun için mutlak sıfır sıcaklığına 10 mikrokelvin yakın derecede soğutma işlemi yapılarak iterbiyum atomları için ölçmeler yaplıyor. Bir lazer yardımıyla saniyede 518 trilyon atım yolutla enerji düzeyleri arasındaki geçiş sağlanıyor. Bu atom saatleri ile ortalama almak 1 sanişye içinde gerçekleşebiliyor. NIST-F1 saatinde bu süre 5 günü bulabiliyordu.
Bugün atomik saatlerden daha iyi geliştirilen saatler de mevcut. Bunlar optik saat olarak adlandırılıyor ve atomik salınımları ölçmek için görünür ışığı kullanıyorlar. Mikrodalga ışımasından 50.000 kat daha fazla rezonansa sahip görünen ışık ışınları daha hassas bir ölçüm sunuyor.
Atom Saatlerinin Önemi ve Kullanımı
Atomik saatlerin uygulayımbilimsel alanlarda zamanın tespit edilebilmesi açısından önemi büyüktür. Özellikle GPS ugulamalarında zaman mefhumu çok önemlidir ve onu yüksek hassasiyette ölçmek atomik saatler ile mümkündür.
NIST saat yayınını düşük frekansa sahip WWVB isimli bir radyo istasyonu aracılığıyla yapar. Yüksek verici gücü ile bu yayın geniş bir alanı kapsamaktadır. Çin, Japonya, Almanya ve Rusya gibi ülkeler de atom saati istasyonları aracılığıyla bu yayını gerçekleştirirken, TÜrkiye’de TÜRKSAT Saat TV kanalı ile bu yayın yapılmaktadır.
Zamanı ölçmek için çok eski çağlardan bugüne, değişik aşamalar kaydedilmiş ve bugüne gelen modern kullanımlar bu şekilde ortaya çıkmıştır. Güneş saatlerinin kullanımından akrep ve yelkovanın keşfine, daha ileri düzeyde hassas ölçmelerin mümkün hale geldiği saniye göstergelerinden bugüne çok hassas saatlere bu alanda çok yol aldık. Daha da alacak gibi gözüküyoruz.
Kaynaklar:
Kurious
