Atomikellojen

Atomikellot ovat erittäin tarkkoja ajantallistuslaitteita, jotka perustuvat atomien energiatilan siirtymien resonanssiin. Niiden taajuusstandardi toimii vertailukohtana, jonka ympärille muut kellot ja ajanlaskenta on kalibroitu. Sekunti määritellään kansainvälisessä SI-järjestelmässä Caesium-133:n hyperfin transitiosta; taajuus on tarkka 9 192 631 770 hertsiä.

Periaate ja tekniikka

Atomikellot mittaavat tietyn atomin sisäisen transitiotaustaallin taajuutta, jota vastaan paikallinen oivaltava jousi eli kantava kello (lyh. oscillator) asetetaan. Mikroaaltokellot käyttävät Caesium- tai Rubidium -atomien mikroskooppisia siirtymiä, kun taas optiset kellot hyödyntävät sähkömagneettisia valon we mokeja, esimerkiksi strontium- tai ytterbium-atomien siirtymiä. Ramsey-mittausmenetelmää sekä laserjäähdytystä ja -kohdistusta käytetään signaalin tarkkuuden parantamiseen. Pitkän aikavälin vakauden takia ympäristötekijöitä, kuten lämpötilaa, magneettikenttiä ja gravitaatiovaikutuksia, kompensoidaan tai korjataan.

Tyypit ja nykytilanne

Mikroaaltokellot (esim. Caesium- ja Rubidium-kellot sekä hydrogen-maser) toimivat pitkien aikavälejen perusstandardeina ja palvelukäytössä. Optiset kellot (ionikellot ja optiset lattiakellot) käyttävät korkeaa taajuutta ja tarjoavat huomattavasti paremman vakauden ja tarkkuuden; suurin osa nykyisistä suorituskykyennätyksistä kuuluu näille.

Sovellukset ja vaikutus

Atomikellot ovat keskeisiä GPS- ja telekommunikaatiojärjestelmien ajanhallinnassa sekä tieteellisissä kokeissa ja tutkimuksissa. Ne mahdollistavat erittäin tarkan navigoinnin, synkronoinnin ja mittaukset, joita tarvitaan muun muassa maantieteellisissä tutkimuksissa, avaruustutkimuksessa sekä fyysisen fundamentin testauksissa. Tulevaisuudessa kehitys optisten kellojen suuntaan voi mahdollisesti muuttaa sekunnin perusmäärityksen entistäkin tiukemmaksi.