Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk jako instytucja zajmująca się głównie naukami ścisłymi i technicznymi otrzymała Polską Nagrodę Inteligentnego Rozwoju 2017 za uruchomienie Polskiego Zegara Atomowego, tzw. fontanny cezowej. Należy ona do najbardziej precyzyjnych instrumentów pomiarowych czasu na świecie. Zasady jego działania w rozmowie z Adrianem Morelem wyjaśnia dr Jerzy Nawrocki z Astrogeodynamicznego Obserwatorium w Borowcu.
Czym dokładnie jest fontanna cezowa i jak wyróżnia się na tle innych zegarów atomowych?
– Jest to odpowiednik wahadła w zegarze, czyli źródło bardzo dokładnych drgań i stabilnej częstotliwości. Od zwykłych zegarów odróżnia się tym, że atomy mają bardzo niską energię kinetyczną.Poruszają się dzięki temu bardzo wolno, a ich czas oddziaływania z polem mikrofalowym jest dużo dłuższy niż w „gorących” zegarach atomowych Dzięki wysokiej próżni, spada również ilość przypadkowych zderzeń, które pogarszają jakość pomiaru. Drugim ważnym aspektem jest brak innych pierwiastków w komorze, a co za tym idzie zderzeń, które pogarszałyby proces. Atomy wyrzucane są w górę niczym fontanna, po czym w bardzo spokojnym i precyzyjnym ruchu opadają. Jest to o wiele bardziej stablilne niż w przypadku prostszych zegarów atomowych.
Co jest kluczowym elementem projektu?
– Dostrojenie mikrofal do rezonansowej częstotliwości wywołującej interakcję z jak największą liczbą atomów cezu. Wszystko dzięki częstotliwości 10 MHz generowanej przez maser wodorowy, jako źródło częstotliwości wzorcowej.
Gdzie Fontanna Cezowa znajdzie swoje zastosowanie?
– Przy pomocy wskazań i porównań wykonywanych z użyciem fontann cezowych korygowana jest światowa skala czasu TAI i UTC. Jest to zależne od pomiarów wykonywanych w kilku laboratoriach na świecie. Wśród tej elity jest także Polska. Takie zegary wykorzystuje się również do synchronizacji satelitarnych systemów nawigacyjnych GPS, Galileo czy GLONASS. Możliwości płynące z zegara mają także ogromne znaczenie w nawigacji morskiej i lotniczej. Kolejnym ciekawym zastosowaniem, gdzie znaczenie ma dokładność i precyzja, są badania kosmosu i komunikacja z satelitami pracującymi daleko poza układem słonecznym. Znikome opóźnienie zegara atomowego jest wynikiem dwóch elementów: bardzo stabilnej częstotliwości oraz bardzo precyzyjnych metod synchronizacji czasu względem innych zegarów.
Z kim została nawiązana współpraca podczas tworzenia Polskiego Zegara Atomowego?
– Zegar został skonstruowany przez dr Krzysztofa Szymańca w Anglii. Przy współpracy National Physical Laboratory pod Londynem oraz Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk udało się zrealizować to ważne przedsięwzięcie.
W tym momencie jest właśnie uruchamiana druga fontanna cezowa. Na świecie trwają natomiast prace nad nowymi typami superdokładnych zegarów optycznych, które wejdą do użytku najprawdopodobniej dopiero za kilka lat.
