VTT MIKESin laboratoriossa Espoossa raksuttaa yksi maailman tarkimmista optisista atomikelloista. Laite osoittaa, että SI-järjestelmän täsmällisin mittayksikkö sekunti vaatii uudistamista. Suomen kansallinen metrologialaitos VTT MIKES esittelee aihetta tarkemmin tapahtumassa, joka juhlistaa maailman metrisopimuksen 150-vuotispäivää.
Lue tiivistelmä
- VTT:n optinen atomikello on osa maailmanajan ylläpitoa ja sen tarkkuus on 100 kertaa parempi kuin cesium-pohjaisissa kelloissa.
- Uuden sekunnin määrittely on tarpeen optisten atomikellojen kehityksen vuoksi, ja muut perusyksiköt SI-järjestelmässä nojaavat sekunnin tarkkaan määritelmään.
- Optiset atomikellot, kuten VTT:n käyttämä, pystyvät saavuttamaan 18 desimaalin tarkkuuden, mikä mahdollistaa minimaalisen ajan virheen kuukaudessa.
Tiivistelmä on tekoälyn tekemä ja ihmisen tarkistama.
Seitsemäntoista valtiota allekirjoitti metrisopimuksen 20. toukokuuta vuonna 1875. Allekirjoituspäivänä vietetään vuosittain maailman metrologian eli mittajärjestelmien päivää. Koska nyt SI-mittajärjestelmän syntyhistorian alusta tulee kuluneeksi 150 vuotta, juhlistaminen on tavallista laajempaa. Myös VTT:n metrologiaan keskittyvä MIKES-yksikkö järjestää Otaniemessä koko päivän asiantuntijatapahtuman 15. toukokuuta.
Sekunnin uudistaminen on yksi tapahtuman keskustelunaiheista. Ajan uudistus vaikuttaa myös muihin perussuureisiin: Esimerkiksi määritelmänsä mukaisesti metrin pituus perustuu matkaan, jonka valo kulkee tyhjiössä sekunnin miljardisosien aikana, eli noin 300 000 kilometriä sekunnissa.
”SI-sekunnin kesto ei ole muuttumassa, mutta sen tarkka määritelmä vaatii päivittämistä. Syynä ovat uudet, entistä tarkemmat optiset atomikellot, jollainen on myös meillä VTT:llä. Moolia lukuun ottamatta, kaikki muut yksiköt SI-järjestelmässä puolestaan nojaavat sekunnin määritelmään”, sanoo VTT MIKESin johtaja Martti Heinonen.
Uudesta sekunnista 100 kertaa nykyistä tarkempi
Optiset atomikellot ovat syntyneet useiden 2000-luvulla tehtyjen teknisten läpimurtojen tuloksena.
”Optinen taajuuskampa, joka sai fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 2005, mahdollistaa optisten taajuuksien mittaamisen helposti ja käytännössä virheittä. Nykyään osataan myös tehdä äärimmäisen vakaita laserlähteitä, joiden viivanleveys on alle 1 hertsiä. Näiden ansiosta voimme rakentaa niin sanottuun optiseen siirtymään perustuvia atomikelloja, jotka ovat 100 kertaa tarkempia kuin cesium-atomin mikroaaltosiirtymään perustuvat laitteet”, kertoo VTT MIKESin erikoistutkija Anders Wallin.
Parhaat cesium-atomikellot realisoivat SI-sekuntia noin 16 desimaalin tarkkuudella, kun taas uudelleen määrittelyn jälkeen optisilla atomikelloilla voidaan realisoida sekunti 18 desimaalin tarkkuudella. Tämä tarkoittaa, että optisen atomikellon virhe on kuukaudessa muutama pikosekunti.
Vuodesta 1967 alkaen sekunnin määritelmä on perustunut cesiumatomilla toteutettuun atomikelloon. Sitä ennen käytössä oli tähtitieteellisiä määritelmiä. Optiseen atomikelloon perustuvan määritelmän on arvioitu tulevan voimaan vuonna 2034. Jäsenvaltioiden päättävä elin kokoontuu kerran neljässä vuodessa, ja päätöksenteko tarkistuksineen ottaa aikaa.
”Jatkossakin käytössä tulee olemaan kellojen joukko, johon kuuluu niin optisia kuin mikroaaltoon perustuvia atomikelloja”, Martti Heinonen sanoo.
Suomen tarkinta työtä strontiumatomilla ja lasereilla
VTT:n itse kehittämä laserjäähdytetty optinen atomikello osallistuu sekunnin uudelleenmäärittelyyn. Se sijaitsee MIKESin aikalaboratoriossa Otaniemessä. Pöytäpinta-alaltaan parin neliömetrin kokoinen laite vangitsee yhden ainoan strontiumatomin ja mittaa sen värähtelytaajuutta. Atomi pysyy paikoillaan sähkökentän avulla ja jäähdytetään (hidastetaan) laserien avulla, kunnes sen nopeus vastaa lämpötilaa, joka on celsiusasteen tuhannesosan verran absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.
”Aloitimme työn uuden atomikellon rakentamiseksi vuonna 2011. Vuodesta 2020 alkaen olemme saaneet laitteella kokeilut käyntiin ja tehneet taajuusvertailua satelliittien kautta. Voimme helposti sanoa, että täällä Otaniemessä tehdään Suomen tarkinta työtä”, Wallin sanoo.
Aiemmin perinteisiä atomikelloja on ostettu ulkomailta 10–20 vuoden välein. Uuden tarkkuustason vaatimia optisia kelloja ei kuitenkaan ole kaupallisesti saatavilla, mikä teki laitteen rakentamisesta omin voimin välttämätöntä.
VTT MIKESin asiantuntijat odottavat, että sen oma optinen atomikello tulee osaksi maailmanajan ylläpitoa. VTT:llä on pitkään ollut cesiumia tai vetyä käyttäviä atomikelloja, joilla jatkuvasti ylläpidetään Suomen aikaa ja tuotetaan tarkkaa aikapalvelua. Kuten parhaat cesium-kellot, optiset kellot eivät vielä käy yhtäjaksoisesti, vaan niitä käytetään kaupallisilla, jatkuvatoimisilla kelloilla tuotetun ajan kalibrointiin.
VTT MIKESin laboratorion uusi atomikello on vahvojen magneettisuojien sisällä. Suojaustarvetta lisää se, että lähellä kulkeva metrolinja aiheuttaa magneettikentän vaihteluita. Vertailua laitteen tarkkuudesta on tehty satelliittien GNSS-taajuuslinkkien ja Saksasta tuodun ytterbiumatomiin perustuvan siirrettävän atomikellon avulla.
Optinen kello VTT MIKESin laboratoriossa.
MEDIA MATERIAL
