מחקר ופיתוח

שעונים אטומים אופטיים

תאריך פרסום: 
22.10.2015
פיתוח שעון המבוסס על אטומים לכודים ומקוררי לייזר
שתף: 
  • דוגמה לשעון אטומי אופטי בו אטומי סטרונציום מקוררים בוואקום | צילום: PTB
מבַצעים: 
מכון ויצמן למדע
הפרויקט של קבוצת המחקר של פרופ' רועי עוזרי מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, בתמיכת סוכנות החלל הישראלית, נועד לבנות שעון. לא מדובר בשעון רגיל, כמובן, אלא בשעון אטומי אופטי מדויק במיוחד, שעשוי להניח את היסודות הטכנולוגיים לדור השעונים הבא. כדי להסביר מה זה אומר, כדאי אולי להתחיל מהשאלה הפשוטה: מהו בכלל שעון? 
 
שעון הוא בעצם מתְנד, אשר מתנדנד בקצב יציב וקבוע ככל האפשר. בעבר, על מנת לבנות שעון מדויק, ממציאים כמו ג'ון הריסון ניסו במאה ה- 18 לבנות מתנדים מכניים (לדוגמא מטוטלות) אשר יתנדנדו בקצב קבוע. זאת כיוון שכאשר תנאי הסביבה משתנים, קשה למנוע שינויים בתדר התנודה של השעון ואז צריך לכוונו בתדירות גבוהה יותר. מעבר לכך, בלתי אפשרי לבנות שני שעונים זהים לחלוטין ולכן הסינכרון ביניהם נפגע מהר יחסית. אם מדובר בשעון שאמור לסייע להגיע לפגישה בזמן, אז איחור או הקדמה בכמה שניות או אפילו דקות, לא יהיה נורא. אך כשמדובר בשעונים בהם נעזרים לווייני תקשורת, למשל, זו כבר בעיה גדולה. 
 
לאחר מלחמת העולם השנייה, התגלה שתכונות האטומים עשויות לשמש כמתנדים מצוינים. אטומים אינם מושפעים באופן חריף כמו מתנדים מעשי ידי אדם ולמעשה, אטומים מאותו סוג הנם זהים לחלוטין. הדבר אפשר לפרוס את הזמן ל"פרוסות" מדוייקות יותר וכך, לפני כחמישים שנה, טווח השניה עצמו הוגדר מחדש. הטווח הוגדר כ- 9,192,631,770 מחזורי מעבר בין שתי רמות אנרגיה של אטום המתכת צזיום 133. בעשורים האחרונים, השעונים המדויקים ביותר שנבנו הם שעונים אטומים, אשר הוטמעו בליבן של מערכות טכנולוגיות רבות, לרבות מערכת ה- GPS הלוויינית, מערכות תקשורת מהירות, תזמון מדויק של מעבר רשתות מתח גבוה בין תחנות כוח שונות ועוד.
 
בעשור האחרון התחום של שעונים אטומיים עבר מהפכה טכנולוגית גדולה. המהפכה הזו אפשרה שעונים אטומיים מדוייקים פי מאה מהשעונים האטומים מהדור הקודם, ומתבססת על אטומים שמתנדנדים בקצב גבוה פי מאה אלף מהשעונים שפותחו לפני חמישים שנה. במקום להתנדנד בתדר של  9,192,631,770 פעמים בשנייה (תדר מיקרוגל) האטומים מתנדנדים בקצב של בערך 5,000,000,000,000,000 פעמים בשנייה. מה שמנדנד את האטומיים הוא לייזר מדויק, שהתדר שלו מכוון למעבר האטומי הנבחר (הכוונה היא שבתדר מסוים, ניתן להעביר את האלקטרונים באטום בין מצב קוונטי אחד לאחר). ככל שטכנולוגיה זו מפלחת את השנייה לפרוסות דקות יותר, כך גובר דיוק השעון. כעת ברור לכל העוסקים בתחום, שהדור הבא של השעונים האטומיים יהיה מבוסס על טכנולוגיה זו ושהגדרת השנייה תשתנה בקרוב על מנת להתאים לשעונים הטובים ביותר.
 
שעונים אטומים אופטיים, אם כן, הם המדויקים בעולם ועתידים להחליף את הדור הישן של השעונים האופטיים. אולם כיום, הם בגודל של חדר ועדיין אינם מוצר מדף מסחרי. בסיוע סוכנות החלל הישראלית קבוצת המחקר של פרופ' עוזרי מפתחת שעון המבוסס על אטומים לכודים ומקוררי לייזר. במקביל לעמיתיהם בסוכנויות החלל האמריקאית והאירופאית, קבוצתו של עוזרי שואפת להפוך מערכת מחקר שכזו למוצר טכנולוגי וזאת מתוך כוונה להכניס את השעונים האטומים האופטיים לתחנות קרקע לווייניות ובעתיד, גם ללוויינים וחלליות ובכך, לשפר את יכולת הניווט גם על פני כדור הארץ וגם במשימות "חלל עמוק".
 

אולי תאהבו גם

{{research.img.alt}}
{{research.start}}
{{research.body}}