Metrologialaitos VTT Mikes on rakentanut Pohjoismaiden ensimmäisen optisen atomikellon. Tutkijat parantavat uuden sukupolven kellon mittaustarkkuutta jatkuvasti.

VTT Mikes, aiempi Mittatekniikan keskus, on kehittänyt laserjäädytettyyn ioniin perustuvaa valokelloa liki kymmenen vuotta.

Perinteiset atomikellot mittaavat aikaa tuottamalla atomien energiasiirtymään viritettyjä mikroaaltoja. Uuden sukupolven optiset valokellot sen sijaan tuottavat valoa määrätyllä taajuudella. Valon avulla aikaa voidaan mitata kymmeniä kertoja tarkemmin kuin nykykelloilla.

Kaupallisten atomikellojen taajuus vastaa SI-sekuntia tyypillisesti 14 desimaalin tarkkuudella. Tällöin kello edistää tai jätättää yhden nanosekunnin vuorokaudessa.

Optisen atomikellon tarkkuus on jo nyt 17 desimaalia eli tuhat kertaa parempi. VTT arvioi, että sen kellon mittaustarkkuus voi yltää vuoteen 2030 mennessä 18 desimaaliin.

Tarkkuuden parantamisen lisäksi tutkijat haluavat automatisoida kellon toimintaa niin, että se pysyy käynnissä viikkoja tai kuukausia ilman huoltoa.

VTT mukaan ylläpitämään maailmanaikaa

Kansainvälinen metrologia- eli mittausjärjestö BIPM on laatinut suunnitelman SI-sekunnin määritelmän uudistamiseksi. Tätä nykyä cesiumatomin mikroaaltosiirtymään pohjautuva järjestelmä perustuu jatkossa optiseen siirtymään. Muutos tehdään ehkä 2030-luvulla.

Myös VTT osallistuu optisella kellollaan SI-sekunnin uudelleen määrittämiseen.

VTT Mikesin erikoistutkijan Anders Wallinin mukaan vastaavanlaisia optisia kelloja on maailmalla kehitteillä joitakin kymmeniä. Niistä on kuitenkin osallistunut maailmanajan ylläpitoon vasta seitsemän kelloa, jotka on valmistettu Ranskassa, Japanissa, Yhdysvalloissa, Etelä-Koreassa ja Italiassa.

VTT:n päämäärä on, että sen optinen kello yltää maailman kymmenen tarkimman joukkoon.

”Tavoitteemme on osallistua kellollamme maailmanajan ylläpitoon yhdessä muiden optisten atomikellojen kanssa muutaman vuoden kuluessa”, Wallin kertoo.

Tarkan ajan tarve kasvaa

Ajan tarkka mittaaminen perustuu nimenomaan atomikelloihin. Myös Suomen virallista aikaa pidetään yllä atomikellojen avulla.

Maailmassa on kasvava tarve tarkalle ajalle. Sitä tarvitaan yhteiskunnan kriittisen infrastruktuurin ja keskeisten toimintojen ylläpitoon. Tarkkaa aikaa käytetään muun muassa 5G-tietoliikenneverkoissa, digitaalisissa sähköverkoissa ja digitaalisessa kaupankäynnissä, kuten nopeassa pörssikaupassa.

Tarkkaa aikaa hyödynnetään lisäksi monilla aloilla perusfysiikasta maanmittaukseen ja satelliittinavigoinnista tähtitieteen radioastronomiaan. Tarkka aika on tarpeen esimerkiksi autojen navigaattoreille ja urheilukelloille.

Aikaomavaraisuus parantaa huoltovarmuutta

Tarkan ajan varmistaminen pitää tutkijoiden mukaan pystyä turvaamaan kaikissa olosuhteissa.

Nykyisten kaupallisten atomikellojen tuottamaa aikaa mitataan ja mallinnetaan gps-vertailun perusteella, mutta järjestelmässä voi esiintyä häiriöitä, jotka estävät signaalin saamisen.

Optisen atomikellon tuottama aika ei edellytä gps-vertailuun pohjautuvaa varmentamista, joten aika voidaan mitata valokellon avulla tarkasti myös mahdollisten häiriöiden aikana.

Näin saavutettava aikaomavaraisuus turvaa paremmin yhteiskunnan toimintoja kaikissa oloissa ja vahvistaa maan huoltovarmuutta.

(Kuva VTT/Anders Wallin) Optisen atomikellon ydin on taajuusreferenssinä toimiva yksittäinen laserjäähdytetty strontium 88 -ioni, joka loistaa pienenä sinisenä pisteenä keskellä kahden kartion muodostamaa ioniloukkua. Kartiomaisiin elektrodeihin tuodaan satojen volttien radiotaajuusjännite, jonka avulla ioni pysyy loukussa jopa kuukausia.

Tilaa Kemiamedian uutiskirje!

Tilaajana saat sähköpostiisi kerran viikossa kiinnostavimmat uutiset ja tärkeimmät tiedot alan tapahtumista ja työpaikoista.

Arvomme uusien uutiskirjetilaajien kesken yhden yön kylpyläloman kahdelle.

Lue lisää ja tee tilaus täällä.

P.S. Oletko kemian seurojen jäsen? Jos haluat uutiskirjeemme myös vuonna 2023, käy uusimassa tilauksesi täällä.