خلال العقود الماضية أصبحت الساعات الذرية ومعايير التردد موردًا مهمًا للاقتصادات المتقدمة ذات التأثير الذي يتراوح من الملاحة عبر الأقمار الصناعية إلى شبكات الاتصال عالية السرعة.
مفهوم الساعة الذرية
الساعة الذرية هي ساعة تستخدم لقياس الوقت عن طريق مراقبة تردد الرنين للذرات، من خلال ذرات لها مستويات طاقة مختلفة، وتكون حالات الإلكترون في الذرة ذات ارتباط عالي بمستويات طاقة مختلفة، وفي التحولات بين هذه الحالات تتفاعل مع تردد محدد جدًا للإشعاع الكهرومغناطيسي، حيث يكون عمل هذه الظاهرة كأساس لتعريف النظام الدولي للوحدات (SI) للثانية.
وتعد أهمية الساعات الذرية مهمة جدا، حيث تضمن مزامنة حزم البيانات بمعدلات بت أعلى من أي وقت مضى، وفي هذا المجال تميزت بداية الألفية الجديدة باختراع تقنية مشط التردد وهو اكتشاف مهم للغاية لدرجة أنه تم منحها جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2005.
تتيح هذه التقنية تقدمين رئيسيين وهما عامل 1000 تحسين الحساسية والدقة مقارنة بتقنية الساعة الذرية الحالية وإمكانية إنشاء مُركب تردد دقيق يتراوح من مستوى هرتز حتى 10 ^ 17 هرتز أو أعلى، أي تغطية الطيف الكهرومغناطيسي من التيار المستمر إلى الأشعة السينية اللينة النظام الحاكم.
ومن المحتمل أن يكون التأثير التكنولوجي لهذا التطور الحالي هائلاً، حيث يفتح تطبيقات جديدة على سبيل المثال في الجيوديسيا النسبية، حيث تستشعر الساعات فائقة الدقة إمكانات الجاذبية عبر الانزياح الأحمر الناشئ عن النسبية العامة، وقد يفتح هذا أسواقًا جديدة في التنقيب عن النفط والمعادن والإشراف على عزل ثاني أكسيد الكربون والهيدرولوجيا وأبحاث المناخ.
تطور الساعات الذرية
اقترح الفيزيائي الاسكتلندي جيمس كلارك ماكسويل قياس الوقت مع اهتزازات موجات الضوء في مقالته حول الكهرباء والمغناطيسية عام 1873، وقال أنه يمكن العثور على وحدة زمنية أكثر شمولية من خلال أخذ الوقت الدوري للاهتزاز لنوع معين من الضوء الذي طول موجته هي وحدة الطول، وجادل ماكسويل أن هذا سيكون أكثر دقة من دوران الأرض، والذي يحدد متوسط الثانية الشمسية لضبط الوقت.
يتم تقليل دقة الساعات الميكانيكية والكهروميكانيكية والكوارتز بسبب تقلبات درجات الحرارة، حيث أدى ذلك إلى فكرة قياس تردد اهتزازات الذرة للحفاظ على الوقت بشكل أكثر دقة، كما اقترح جيمس كليرك ماكسويل واللورد كلفن وإيزيدور رابي.
اقترح هذا المفهوم في عام 1945 مما أدى إلى عرض ساعة تعتمد على الأمونيا في عام 1949، وأدى ذلك إلى أول ساعة ذرية دقيقة عملية مع ذرات السيزيوم التي يتم بناؤها في المختبر الفيزيائي الوطني في المملكة المتحدة في عام 1955 بواسطة لويس إيسن بالتعاون مع جاك باري.
كما طور العلماء تقنية لإجراء انتقالات بالضوء تسمى الضخ البصري، وهذه التقنية مفيدة لخلق رنين مغناطيسي أقوى بكثير وإشارات امتصاص الميكروويف، ولسوء الحظ تسبب هذا في حدوث آثار جانبية مع تغيير الضوء في تردد الرنين، ونجح كوهين التنودجي وآخرون في تقليل نوبات الضوء إلى مستويات مقبولة.
كيف تعمل الساعات الذرية
تعتمد الساعة الذرية على نظام من الذرات يمكن أن يكون في إحدى حالتين ممكنتين للطاقة، ويتم تحضير مجموعة من الذرات في حالة واحدة ثم يتم تعريضها لإشعاع الميكروويف، فإذا كان الإشعاع بالتردد الصحيح فسوف ينتقل عدد من الذرات إلى حالة الطاقة الأخرى.
كلما كان التردد أقرب إلى تردد التذبذب المتأصل في الذرات زاد عدد الذرات التي ستبدل الحالات، حيث أن هذا يسمح بضبط دقيق للغاية لتردد إشعاع الميكروويف، وبمجرد تعديل إشعاع الميكروويف إلى تردد معروف يمكن استخدامه كمذبذب لعرض الوقت لقياس الوقت المنقضي.
الساعات الذرية تصبح نووية
لتحسين أداء الساعة بشكل أكبر يبحث الباحثون عن الحالات الكمية التي لها فرق طاقة أكبر باستمرار، وبالتالي زيادة معدل دقات الساعة ولكنها غير حساسة لاضطرابات البيئة، كما أنه بطبيعة الحال يمكن للمرء أن يعتبر حالتين كميتين لنواة الذرة بمثابة قلب ساعة مستقبلية، حيث أن جميع مقاييس الطاقة في النواة أكبر بكثير من تلك الموجودة في إلكترونات التكافؤ.
بالإضافة إلى ذلك فقد تحمي سحابة الإلكترون النواة من أي اضطراب في البيئة المحيطة، وبالتالي تقضي على الآثار الجانبية غير المرغوب فيها التي تزعج القياس، وفي عام 2003 اقترح EPeik وزملاؤه استخدام نواة الثوريوم 229 لمثل هذه الساعة النووية، حيث يتمتع هذا النظير المحدد بميزة فريدة جدًا، فهو يمتلك حالة نووية مثارة على بعد بضعة فولت من حالة الأرض، وبالتالي يمكن أن يكون هذا الانتقال مدفوعًا بضوء الليزر.
هذه الحالة تسمى الأيزومر وتكون مستقرة مع عمر يصل إلى حوالي ساعة، وهو أيضًا مناسب لتشغيل الساعة، لا تُعرف طاقة الايزومر ولا عمره، حيث يعيق قياس هذه الكميات المهمة حالتان مؤسفتان وهما Th-229 مادة مشعة ولا تحدث بشكل طبيعي، ومع ذلك لا توجد طريقة للالتفاف حول مثل هذه القياسات قبل أن تصبح الساعة التي تعتمد على الثوريوم جاهزة للعمل، وللتغلب على هذا الحاجز الأول يتبع اتحاد (nuClock) عددًا من الاستراتيجيات المختلفة بالتوازي.
مطياف الكتلة للساعات الذرية المستقبلية
يمكن أن تشكل الأيونات عالية الشحنة أساس الجيل التالي من الساعات فائقة الدقة باستخدام التحولات الإلكترونية في الأيونات كـالبندول، حيث تم الإبلاغ عن طريقة بارعة لوصف مثل هذه التحولات.
كما أن الساعات الذرية التي تستخدم التحولات بين مستويات طاقة الإلكترونات في الذرات، فقط تستخدم كمرجع لآلية ضبط الوقت هي الساعات الأكثر دقة في العالم، ولن تفقد ثانية واحدة خلال عمر الكون، وهذا يعني أنه يمكن استخدامها في قياسات فائقة الدقة لسبر بعض الافتراضات الأساسية للفيزياء الحديثة.
حيث إن الساعات المعتمدة على الأيونات عالية الشحنة (HCIs) من المتوقع أن يكون لها حساسية أكبر في هذه التحقيقات، ومع ذلك فإن تطوير مثل هذه الساعات يعوقه صعوبة اكتشاف التحولات المناسبة في HCIs.
ومع ذلك لا تزال التقنيات المرتبطة بالساعات الضوئية ومعايير التردد في مرحلة المختبر، وهناك حاجة ماسة إلى الخبراء في هذا المجال لتطوير أنظمة وتطبيقات قابلة للتطبيق تجاريًا، حيث تعالج ITN هذه المشكلة من خلال تنفيذ برنامج تدريبي يغطي جميع الجوانب من المرجع الذري وأشعة الليزر فائقة الاستقرار إلى توليف مشط التردد وتوزيع التردد الدقيق وتكنولوجيا النظام التجاري.
وفي نهاية ذلك فقد يركز (ITN) على التطورات التكنولوجية التي تعزز مستوى الاستعداد التكنولوجي للساعات الذرية الضوئية الجديدة مما يعزز فرصة التقاطها من قبل القطاع التجاري، وفي هذه المرحلة الأولية ستكون المركبة هي تكنولوجيا الفضاء والتي تعد بأول تطبيقات عالية الدقة.
