Täpsusrekordid ajamõõtmises
Ülo Vaher
11.08.2006

Läinud aastal möödus 50 aastat aatomkella loomisest. See oli üks möödunud sajandi tähtsamaid teaduslik-tehnilisi saavutusi. Omakorda sai see võimalikuks tänu tosinale Nobeli auhindadega pärjatud uurimustööle.
Ülemaailmses ajaarvestuses mindi seniselt Maa ebaühtlasel pöörlemisel-tiirlemisel põhinevalt astronoomiliselt süsteemilt üle kindlale ja täpsele aatomiajale. Alanud oli aatomiaeg.

Kunagi piisas päikesest – oli väljas pime, võis koopas noriseda, tuli päike välja, pidi nuia võtma ja mammutit otsima minema. Mõni ütleb, et see oli inimkonna kuldaeg. Ent moodsamate aegade saabudes jäi "päevakella" täpsusest inimesele väheks.
Aja mõõtmise ja arvestuse tähtsus on inimkonna arengu käigus pidevalt kasvanud, eriti tehnikaajastu viimasel aastasajal. Tänapäeval on pea võimatu üles lugeda kõiki tehnika ja teaduse valdkondi, mis nõuavad ülitäpseid ajamõõtmisi. Need ulatuvad satelliitnavigatsioonist arvutivõrkude ja kommunikatsioonisüsteemide sünkroniseerimiseni, elektriülekannetest rahaülekanneteni, aatomfüüsikast astrofüüsika ja kosmoselendudeni, ülemaalisest täpsest ajateenistusest rääkimata.
Tee aatomkellani
Kellade kui ajamõõtjate loomiseks on vajalik kasutada mõnd perioodiliselt korduvat nähtust või protsessi, mille arvu kell suudaks loendada ja loendamistulemust väljendada inimesele mugaval viisil. Enamasti on täpsete kellade loomiseks kasutatud mingi süsteemi võnkumist. Esimesed enam-vähem täpsed kellad loodi 17. sajandil, kasutades pendli ja hiljem ka balanssiirratta võnkumisi. Mehaaniliste kelladega ei ole võimalik saavutata suuremat täpsust kui sekundiline viga nädalas.
Olulise muutuse tõi kellades võnkuvate kvartskristallide kasutuselevõtt, mis võimaldas kellade täpsuse viia sekundilise eksimuseni 30 aasta vältel. Revolutsiooniliselt uued võimalused kellade täpsuse suurendamisel avanesid aatomiajastu saabumisega. Aatomifüüsika avastas, et mikromaailm käitub makromaailma objektidega võrreldes hoopis iselaadsete kvantmehaanika seaduste järgi ning neid kõiki võib käsitleda kui erakordselt suure stabiilsusega pöörlevaid ja võnkuvaid süsteeme. Aatomid ja molekulid võivad olla vaid teatud diskreetseid väärtusi omavates energeetilistes seisundites. Üleminek ühelt energeetiliselt nivoolt E1 teisele nivoole E2 toimub vaid siis, kui elektromagnetlaine osakese ehk kvandi võnkesagedus í avaldub valemiga í = (E2 – E1)/h, kus h on Plancki konstant. See sagedus jääb igavesti konstantseks (kui vaid aatom on vaba ümbritseva keskkonna mõjudest), mis annabki põhimõttelise võimaluse luua ülitäpne kell. Tuleb vaid valida sobivad aatomid, need võimalikult isoleerida teistest mõjudest, korraldada nende üleminek ühelt energianivoolt teisele ning loendada selle juures vabanenud või neeldunud elektromagnetlainete sagedused. Just nende sageduste mõõtmisega oli raskusi, sest nad on tavaliselt loendamiseks liiga suured. Ainsaks erandiks on aatomite põhinivoo ülipeenstruktuurile vastavad üleminekud, mille vastavad sagedused on gigahertside piirkonnas. Alles Teise maailmasõja ajal töötati välja radarseadmete komplektid, mis suutsid genereerida ja täpselt mõõta selle sageduspiirkonna raadiolaineid. Ajalooliselt esimene katse aatomkella loomiseks tehti juba 1949. a, kasutades selleks ammoniaagi molekule, kuid siis ei suudetud veel saavutada loodetud stabiilsust ja täpsust.

Aatomkellade loomisel on suure tähtsusega selle aluseks olevate aatomite tüübi valik. Mitmel põhjusel osutusid eriti sobivateks tseesiumiaatomid. Esimene praktilist kasutamist leidnud tseesiumkiirega aatomkell loodi 1955. a Suurbritannias. Selle täpsust iseloomustas viga 1 sekund 300 aasta jooksul.
Tüüpilise tseesiumkiirega aatomkella ehituse ja töö põhimõtte võiks lühidalt kokku võtta järgmiselt. Vaakumis asetsevas ahjukeses aurustatakse temperatuuril 90 °C väike kogus tseesium-133 ja lastakse üksikutel aatomitel väikese ava kaudu väljuda kiirekimbuna, kiirusega umbes 250 m/sek. Need aatomid on energeetilises mõttes oma põhinivool, millel on kaks alamtaset – F = 3 ja F = 4. Nende aatomite üksteisest eraldamiseks lastakse tseesiumkiirel läbida magnet, mille välja mõjul F = 4 seisundis olevad aatomid kalduvad esialgsest kiire liikumise suunast kõrvale ja veidi eemal neelatakse nende teele asetatud vastava seadme poolt. Seisundis F = 3 aatomid suunatakse edasi spetsiaalsesse muudetava sagedusega mikrolainetega täidetud resonantskambrisse. Kui nende sagedus on 9 192 631 770 Hz, siis toimub mikrolainete neeldumine aatomites ja nende üleminek energeetiliselt tasemelt F = 3 tasemele F = 4. Resonantskambrist väljunud kiire teele on asetatud veel üks magnet, mille mõjul seisundis F = 4 olevad aatomid kalduvad senisest kiirekimbu teest kõrvale ja suunatakse vastavasse detektorisse, mis omakorda väljastab tagasisideahela kaudu nende arvule proportsionaalse elektrilise signaali kvartsostsillaatorisse, mis automaatselt fikseerib selle võnkesageduse täpselt tseesiumi resonantssagedusel, viimane aga omakorda resonantskambrisse suunatavate mikrolainete sageduse. Just see kvartsostsillaatori võnkesageduse “lukustumine” täpselt tseesiumiaatomite ülemineku F3 Æ F4 resonantssagedusel 9 192 631 770 Hz ongi tseesiumkella ülima täpsuse ja stabiilsuse peamiseks aluseks. Kvartsostsillaatorist suunatakse signaal ka elektroonikaseadmetesse, mille kooseisu kuuluvad sagedusmuundurid ja -jaoturid, mille abil saadakse sekundaarseid väljundsignaale sagedusega täpselt 10 MHz, 5 MHz ja isegi 1 Hz, mis vastab ühele impulsile iga sekundi tagant ja mida võib kuvada ekraanil täpse kellaajana. Nende suhteline viga on suurusjärgus 5 x 10-14.

Vesinikmaserkellad

Tseesiumkelladega võrreldes pakuvad suuremat lühiajalist täpsust nn vesinikmaserkellad, mis on eriti vajalikud näiteks raadioastronoomias ja satelliitnavigatsioonis. Nendes kellades juhitakse vesinik läbi spetsiaalse magnetite süsteemi, mis laseb läbi vaid teatud vajalikus energeetilises seisundis olevaid aatomeid ja suunab need mikrolainete resonantskambriga ümbritsetud kolbi. Osa aatomeid läheb spontaanselt üle madalamale energianivoole ja igaüks neist kiirgab seejuures vastava footoni, mis omakorda kutsub esile ka teistes aatomites nn stimuleeritud emissiooni. Selle tulemusena moodustub kolbi ümbritsevas resonaatoris mikrolaineväli, mille resonantssagedus 1 420 405 752 Hz on väga täpselt määratav.
Kõige enam levinud aatomkellade tüüpe on tänapäeval kompaktsed (isegi mahuga 1 dm3), töökindlad ja odavad rubiidiumkellad, mida toodetakse aastas tuhandeid ja mis on kasutusel ka navigatsioonisatelliitidel ja elektrivõrkudes. Nende kellade juures kasutatakse uut tänapäevast võtet, nn optilist pumpamist, mis seisneb laserkiirte abil Rb-aatomite viimises vajalikule energeetilisele nivoole enne resonantskambrisse sisenemist ja ka resonantskambris mikrolainete mõjul toimunud üleminekute registreerimisel. Rb-87-lambi valgus läbib Rb-85-auruga täidetud filtri ja seejärel ergastab puhvergaasidega (neoon jt) täidetud resonantskambris Rb-87-aatomeid. Rubiidiumkellade resonantssagedus on 6 834 682 608 Hz.
Suures osas põhinevad aatomkellade täiustused ka lasertehnika arengul. Dioodlaserite abil on aatomkellade täpsuse tõstmise huvides õpitud aatomeid jahutama peaaegu absoluutse nullini. Sellisel temperatuuril liiguvad aatomid väga aeglaselt, vaid mõni millimeeter sekundis, mis omakorda võimaldab neid hoida resonantskambris sada või tuhat korda kauem ja seega määrata ka energeetiliste üleminekute resonantssagedusi sedavõrd täpsemalt. Laserjahutamise füüsikaliseks sisuks on laserkiire valgusosakeste – footonite – vastastikune toime aatomitega.
Laserjahutamist on oskuslikult ära kasutatud uut tüüpi aatomkella, nn tseesimfontäänkella loomisel. Sellises kellas suunatakse “ahjust” väljunud tseesiumiaatomitele omavahel risti asetatud kolme infrapunalaserite paari kiired, mille toimel tseesiumiaatomid surutakse kokku kerajaks kobaraks ja mille temperatuur ning vastavalt ka liikumiskiirus keras minimeeritakse nullilähedaseks. Seejärel reguleeritakse vertikaalselt paigutatud laseritepaari kiirgussagedused nii, et nende koostöö toimel saab aatomitekerake õrna tõuke ülespoole – piltlikult öeldes tekib nagu aatomite fontään. Selle aatomite kerakese teele on asetatud mikrolainete resonantskamber, mida läbides aatomid lähevad üle ühest seisundist teise, kui mikrolainete sagedus vastab sellele üleminekule. Raskusjõu toimel aatomipallikese liikumine aeglustub ning umbes meetri kõrgusel hakkab see juba tagasi alla langema nagu see toimub tavalise fontääniga. Langedes läbib aatomitekerake teist korda mikrolainetega resonantskambri. Edasi läbivad aatomid spetsiaalse proovilaseri kiirtekimbu, mille valguse lainepikkus on valitud selliselt, et need aatomid, mis mikrolainetekambris siirdusid teise energiaseisundisse, hakkavad kiirgama fluorestsentsvalgust, mille intensiivsust ja selle kaudu ka resonantssagedust mõõdab vastav detektor. Tänu sadu kordi pikemale resonantskambris viibimise ajale nendes kellades, võrreldes aatomkiirega kelladega, on võimalik ka resonantssagedust mõõta täpsusega alla 1 Hz. See omakorda tähendab, et selline kell eksib sekundi võrra alles 300 miljoni aasta jooksul.
Kas see ongi aatomkellade täpsuse viimane piir? Kindlasti mitte, sest teaduse ja tehnika progress ei lakka ja tarvitusele võetakse üha keerulisemaid tehnikaid. Mitmed teadlaskollektiivid on seadnud endale ülesandeks luua nn optilised aatomkellad, kus kasutatakse aatomisiseseid üleminekuid energeetiliste nivoode vahel, mille vastav resonantssagedus on optilises ehk nähtava valguse piirkonnas, mis on teatavasti umbes 100 000 korda suurem kui seni aatomkellades kasutatud mikrolainete sagedused. Nende mõõtmiseks arendatakse erilist meetodit, mida nimetatakse femtosekundiliseks kammiks. Kombineerides erilisel viisil laser- ja mikrolainetehnikaid, saadakse väljundsignaali sagedusskaalal mitu üksteisest konstantsel kaugusel asetsevat teravat resonantsjoont, mis meenutavad kammi piisid. Loendades neid nn piisid ja teades nende vahekaugusi, on võimalik välja arvutada ka maksimumkõrgusega piile vastava resonantssageduse. Optiliste aatomkellade loomiseks suletakse eriliste elektromagnetiliste väljade kombinatsiooni (nn Pauli trapp) abil üksikud strontsiumi, elavhõbeda või üterbiumi aatomid kõrgvaakumis ühe kuupmikroni suurusesse ruumi ja seejärel kiiritatakse trapis olevaid aatomeid erineva lainepikkusega laserkiirtega, et saada vajalikud energeetilised üleminekud ja neile vastavad signaalid. Igasuguste segavate mõjude kõrvaldamisel võiks optiliste aatomkellade täpsus olla praktiliselt absoluutne – nad eksiksid sekundiga alles 10 miljardi aasta jooksul.
Täpsuse suurendamise kõrval on aatomkellade arendamisel veel teine tähtis suund – nende nn miniaturiseerimine. Ka sellel alal on märkimisväärseid saavutusi. Nimelt on USA teadlastel õnnestunud luua mikrokiibile ehitatud aatomkella katsemudel, mille põhimehhanism (nn füüsikapakett) on vaid riisitera suurune (1,5 x 4 mm) ning tarbib võimsust vaid 0,07 vatti ja seega piisab sellele toiteks vaid pisipatareikesest. Koos vajaliku välise kvartsostsillaatori ja elektroonikaplokiga on täiskella mõõtmed 1 cm3 suurusjärgus, mis mahub hästi portatiivsesse GPS või muusse käsiseadmesse, võimaldades oluliselt tõsta satelliitnavigatsiooni ja kommunikatsioonitehnika täpsust ja laiendada nende kasutusvaldkondi. Tänapäevase mikrokiiptehnoloogia kasutamisel võib organiseerida nende masstootmise, mis viiks nende hinna igale inimesele kättesaadavaks.
Me suudame aega aina täpsemateks killukesteks jagada. Kuid kas teeb see meie elu rikkamaks? Küllap kindlasti – kuigi teinekord on meie päevaplaan juba nii tihe, et tahaks käekellagi kapi peale jätta ja üksikule saarele kolida! Aga pole parata. Inimene lõi kella oma abiliseks, aga juba ammu on kell saanud meie peremeheks.

Sarnased artiklid