JILA-fysiker och samarbetspartners har demonstrerat den första nästa generations "tidsskalan"-ett system som innehåller data från flera atomur för att producera en enda mycket exakt tidtagningssignal för distribution. JILA -tidsskalan överträffar de bästa befintliga naven för att sprida officiell tid över hela världen och erbjuder möjligheten att ge mer exakt tid till miljontals kunder som finansmarknader och dator- och telefonnät.

Den nya tidsskalearkitekturen kombinerar en superpålitlig, avancerad atomur med en ultrastabil enhet för lagring av tidssignaler och är en "plan för uppgradering av tidsskalor över hela världen, "enligt beskrivningen i tidningen Fysiska granskningsbrev .

JILA drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

"Jag tror att denna nya tidsskalade demonstration kommer att vara mycket viktig för omdefiniering av tid i framtiden, "sa Jun Ye, NIST/JILA -stipendiat och projektledare.

Den senaste omdefinieringen av International System of Units (SI) uppdaterade inte hur tiden mäts. Standardenhet för tid, den andra, har baserats på egenskaperna hos cesiumatomen sedan 1967. Under de kommande åren har det internationella vetenskapliga samfundet förväntas omdefiniera det andra, välja en ny atom som grund för standard atomur och officiell tidtagning.

För att förbereda denna förändring, forskare behöver uppgradera system för att distribuera tid.

NIST driver nationens civila tidsskalor, matriser av vätgasmaskiner - mikrovågsversioner av lasrar - som ger pålitliga oscillerande signaler för att bibehålla en stabil "tickning" för den officiella amerikanska civila tiden på dagen, som är kopplad till internationell tid (samordnad universell tid eller UTC). Två atomklockor baserade på cesiumstandarden, kallas NIST-F1 och NIST-F2, används för att kalibrera och säkerställa noggrannheten i tidsskalorna.

Som nästa generations atomur, JILAs experimentella tidsskala fungerar helt vid optiska frekvenser, som är mycket högre än mikrovågsfrekvenserna för cesiumtidstandarder. Optiska frekvenser delar upp tiden i mindre enheter och kan därmed erbjuda större noggrannhet.

Ansträngningar att införliva de senaste optiska atomklockorna i äldre mikrovågstidsskalor har kommit in i gränser för långsiktig stabilitet, på grund av de inneboende egenskaperna hos masers och fluktuationerna i samband med att koppla dem till experimentella klockor som fungerar intermittent.

JILA -teamet löste dessa problem genom att optimera en mer stabil typ av oscillator och noggrant kontrollera driftsförhållanden som temperatur så att deras mycket stabila och exakta strontiumgitterklocka kan manövreras regelbundet vid behov.

Oscillatorn bildas av en laserstråle riktad in i en ihålig hålighet gjord av en enda kristall av kisel, inuti vilket laserljus av en specifik färg, eller frekvens, studsar fram och tillbaka regelbundet under lång tid, som en metronom. Dessa enheter har funnits i flera år, men ett långsiktigt JILA-samarbete med Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), det tyska nationella metrologiska institutet, kom på ett nytt sätt att bygga dem, förbättrar ljusets stabilitet kraftigt. Nyligen, JILA-teamet ökade ytterligare den långsiktiga stabiliteten i deras hålighet, som är 21 centimeter lång och fungerar vid kryogena temperaturer på 124 K (minus 149,15 C), genom att använda överpolerad optik och förbättrad värmekontroll, bland andra tweaks.

I JILA -tidsskalan, en optisk frekvenskam (en linjal för ljus) överför den stabila optiska signalen från denna kavitet till en annan, mycket stabil laser som lyser på klockans atomer och synkroniserar ljusets frekvens med deras tickande. Två ytterligare lasrar stabiliseras till oberoende håligheter. De flera lasrarna och hålrummen ger redundans om något skulle fungera.

Oscillatorns stabilitet jämfördes kontinuerligt med NIST-mikrovågstidsskalan genom en redan existerande underjordisk fiberoptisk länk mellan JILA, på universitetets campus, och NIST, en mil eller så bort. Över en månads mätningar, frekvensstabiliteten för den optiska oscillatorn överträffade konsekvent den hos mässarna i mikrovågstidsskalan.

De experimentella resultaten visar att JILA tidsskalearkitektur överträffar mikrovågs tidsskalor, även när masarna kalibreras av nästa generations atomur. Teamets analys indikerar att genom att köra den optiska klockan JILA 50% av tiden, den helt optiska tidsskalan kan nå en stabilitetsnivå som är cirka 10 gånger bättre än standardmikrovågens tidsskala, eller 1 × 10 ^-17 , efter några månaders genomsnitt.

En ytterligare praktisk fördel är att oscillatorfrekvensen kan förutses med konventionell mikrovågsanalysteknik, gör det möjligt för laget att uppskatta ett tidsfel på endast 48 ± 94 pikosekunder (biljondelar av en sekund) efter 34 dagars drift.

Ytterligare tekniska uppgraderingar är planerade, inklusive automatisering som ska tillåta klockan att användas mer än 50% av tiden. Forskare planerar också att införliva den optiska tidsskalasignalen i NIST -tidsskalan med hjälp av det underjordiska fibernätet.