Atomski satovi su ključni za svakodnevni život jer pomažu našim telekomunikacijama, električnim mrežama, GPS sistemima, transportu i drugim procesima širom sveta da drže tačno vreme. Neki od ovih satova koriste lasere i posebne rezonatorske šupljine za merenje vremenskih intervala. Oni su jedni od najtačnijih satova na svetu i najkrhkiji.
Atomski satovi cezijuma igraju posledičnu ulogu, jer se specifična atomska tranzicija indukovana u atomskom cezijumu koristi za definisanje jedinice vremena: SI sekunde. Laboratorije Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) u Boulderu, Kolorado, decenijama imaju atomske satove — uključujući atomski sat cezijum NIST-F1 koji služi kao primarni standard vremena i frekvencije Sjedinjenih Država, dok istraživači nastavljaju da poboljšavaju tačnosti satova kroz najsavremenija istraživanja. Konkretno za NIST-F1 cezijumski sat, ovaj proces je uključivao rekonstrukciju delova sata.
NIST-F1 sat se takođe naziva „sat sa fontanom“ zbog kretanja atoma cezijuma u obliku fontane unutar sata koji se koristi za merenje vremenskih intervala. Ovi atomi cezijuma počinju u posebnoj vakuumskoj komori, gde šest infracrvenih laserskih snopova gomila slobodno leteće atome u kuglu. Tokom stvaranja ove lopte, sistem se hladi na blizu apsolutne nule (nula Kelvina) da bi se usporilo kretanje atoma.
Nakon hlađenja, dva vertikalna lasera bacaju kuglicu atoma cezijuma u uzlazni luk („fontana“) i tada se svi laserski zraci isključuju. Kuglica cezijuma se pomera nagore za oko metar u specijalnoj šupljini ispunjenoj mikrotalasnom pećnicom, što može da promeni neke od atoma unutar lopte. Lopta tada pada, i opet, mikrotalasno polje može da stupi u interakciju sa atomima, uzrokujući da više njih promeni svoje stanje. Konačno atomsko stanje se određuje merenjem fluorescencije izmenjenih atoma izazvanih drugim laserskim snopom.
Ceo proces traje oko jedne sekunde i ponavlja se više puta da bi se pronašla prava frekvencija koja pobuđuje specifičnu tranziciju sata atoma cezijuma. Jednom kada se pronađe mikrotalasna frekvencija, na kojoj bi mikrotalasni signal u interakciji sa atomima cezijuma prouzrokovao da njihova maksimalna količina promeni svoje stanje (pri maksimalnoj fluorescenciji), ta frekvencija se zatim koristi za definisanje sekunde vremena brojanjem tačno 9,192,631,770 signala perioda (koje su pronašli naučnici) sa brojačem. Ova definicija se zatim primenjuje na druge satove radi kalibracije i tačnog merenja vremena.
Mikrotalasna šupljina je ključni deo procesa merenja vremena, a istraživači na NIST-u su se nadali da će poboljšati tačnost sata obnavljanjem cele šupljine. „Imali smo problema sa prethodnom šupljinom sata koja je ograničavala tačnost sata“, objasnio je naučnik NIST Vladislav „Vladi“ Gerginov. „Jedan od problema je bio sa materijalom šupljine (aluminijumom).“
Pošto su atomski satovi izuzetno osetljivi na nesavršenosti u obliku šupljine, električnu provodljivost i poliranje, materijali šupljine moraju biti napravljeni od pravog materijala i imati tačan oblik, veličinu i završnu obradu kako bi se minimizirale nepreciznosti sata. „Jedan od ključnih koraka u izgradnji cezijumovog sata je podešavanje frekvencije šupljine tako da odgovara prelaznoj frekvenciji cezijuma“, objasnio je proizvođač instrumenata Calvin Schvadron iz JILA (zajednički institut između NIST-a i Univerziteta Kolorado Boulder). „Frekvencija na kojoj mikrotalasna šupljina rezonira zavisi od zapremine unutar nje.“
Da bi to uradili, istraživači su se oslanjali na ekspertizu pronađenu JILA. Prema Curtisu Beimbornu, šefu V.M. Keck Metrologi Lab i Clean Room u JILA, „Kvalitet šupljine (K) je veoma važan za poboljšanje performansi sata.“
Da bi povećao K šupljine, Gerginov je sarađivao sa prodavnicama mašina i instrumenata u JILA-i, koristeći prodavnicu instrumenata i čistu prostoriju za izgradnju nove mikrotalasne šupljine od bakra. „Neverovatno je retkost imati ovakvu potpunu saradnju u prodavnici“, izjavio je proizvođač instrumenata JILA Adam Elzi. „Svih šest nas je sedelo sa Vladijem tokom konsultacija o dizajnu. U fazi proizvodnje, svi se redovno proveravamo jedni kod drugih da bismo napravili sigurni da se naši delovi uklapaju i da se dizajn slaže. Pravljenje komponenti sata koji će biti nacionalni vremenski standard je velika stvar o kojoj je potrebno malo razmišljanja. Bilo je neverovatno gledati kako moji kolege proizvođači instrumenata popravljaju svoju stručnost. Naučio sam tona.“
JILA prodavnice instrumenata su ključni faktor u stvaranju jedinstvene istraživačke institucije. Prema rečima Kajla Tačera, šefa prodavnice instrumenata, „Prava vrednost JILA prodavnice instrumenata je u tome što naučnici dobijaju priliku da rade direktno sa proizvođačima instrumenata kako bi realizovali svoj eksperimentalni aparat. To znači da od samog početka, naučnici mogu da sarađuju na dizajn, inženjering, proizvodnja i testiranje njihovog uređaja koristeći ogromno akumulirano institucionalno znanje prodavnice. Pored toga, sa politikom otvorenih vrata prodavnice instrumenata, i tako što je u takvoj blizini [u zgradi za slučaj JILA], omogućava veoma brz iterativni razvoj, rešavanje problema i modifikacija uređaja [i] popravka.“
Ovaj proces bliske saradnje između naučnika i proizvođača instrumenata je prilično retkost u većini istraživačkih institucija, jer tradicionalno, proizvođači instrumenata rade na dizajnu koje su naučnici obezbedili sa vrlo malo napred-nazad, kako je objasnila Tačer. U JILA-i, saradnja između internih prodavnica i naučnika omogućava instrumente napravljene po meri koji se ne nalaze nigde drugde. Ovo uključuje delove za NIST-F1 cezijum sat.
„Prodavnica instrumenata je bila u mogućnosti da sarađuje sa Vladijem i njegovim kolegom kako bi pomogli u optimizaciji kritičnih karakteristika sistema, uključujući izbor materijala, smanjenje komponenti, mogućnost servisiranja i dizajn za proizvodnju“, objasnila je Tačer. „Važnije, međutim, bila je sposobnost Vladi da postavi svoju opremu za testiranje iz NIST-a u radnji gde je bio u mogućnosti, praktično u realnom vremenu, da kvantifikuje performanse delova koji se prave, čime je omogućio da se procesi proizvodnje podese na muva poboljšava rezultate.“
Proces stvaranja nove šupljine uključivao je mnogo različitih koraka, uključujući kontinuirano napredovanje između Gerginova i mašinista na dizajnu šupljine. Nakon početnog testiranja nove bakarne šupljine, K je bio otprilike tri puta niži od očekivanog i Vladi je posumnjao da bi završni sloj metalne površine unutar šupljine mogao biti krivac jer su struje mikrotalasne frekvencije ograničene na površinu metala , umesto da putuju kroz masu [zidove].
„Kalvin i Vladi su ga odneli u laboratoriju za optičku metrologiju, a ja sam im izmerio hrapavost površine pomoću našeg optičkog profilometra“, rekao je Beimborn. „Naravno, hrapavost je bila dovoljno velika da su sve sitne površinske nesavršenosti poprilično povećavale udaljenost na kojoj su struje mikrotalasne frekvencije putovale u šupljini, što je umanjilo K faktor. Nakon ovog merenja, Calvin je polirao unutrašnjost šupljine i verujem da je Vladi odmah video faktor od dva poboljšanja u K.“
Zahvaljujući bliskoj saradnji NIST-a sa JILA-om, nova šupljina će pomoći da se NIST-F1 cezijum sat vrati na posao. Kako je rekla Elizabeth Donlei, šef odeljenja za vreme i frekvenciju NIST-a, „Mašinska obrada šupljina u radnji JILA bila je veoma važan deo posla da se fontana vrati na mrežu i veoma smo zahvalni na tome. Bilo je sjajno imati JILA prodavnica kao tako vredan lokalni resurs.“
Kada je sat pokrenut i radi, istraživači NIST-a mogu nastaviti da rade na pomeranju granica fizike atomskog sata. „Sat će se koristiti u NIST-u za kalibraciju zvaničnog NIST vremenskog okvira, kao i drugih atomskih satova i frekvencijskih referenci“, dodao je Gerginov.
