Najdokładniejszy zegar atomowy uruchomiono w Borówcu

11 marca 2015 r. Laboratorium Czasu i Częstotliwości w Obserwatorium Astrogeodynamicznym CBK PAN w Borówcu, które kierowane jest przez dr Jerzego Nawrockiego, otrzymało dotację na budowę najdokładniejszej realizacji sekundy SI w postaci fontanny cezowej. Konstrukcje oparte o fontannę atomową, używające zimnych atomów, realizują najdokładniejszy fizyczny pomiar częstotliwości mikrofalowej będący definicją sekundy SI. Ponad 7 milionów złotych zostało przeznaczone na finansowanie w latach 2015-2017 projektu „Polski zegar atomowy – fontanna cezowa”.

Tego typu zegar pracuje już w Narodowym Laboratorium Fizycznym NPL (National Physical Laboratory) w Teddington pod Londynem. I właśnie w tej placówce badawczej, pod kierunkiem wybitnego specjalisty w dziedzinie atomowych wzorców częstotliwości dr Krzysztofa Szymańca, z udziałem pracowników Centrum Badań Kosmicznych PAN, budowany był polski zegar.

Trzeba zaznaczyć, że od roku 1967 do pomiaru czasu używane są zegary atomowe. Jedna  sekunda jest definiowana jako czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania atomu cezu-133. Dokładność fontanny cezowej jest więc imponująca. Taki zegar pomyli się o 1 sekundę po 150 milionach lat.

Aktualnie na świecie pracuje kilkanaście fontann cezowych i rubidowych, z których 12 PFS raportuje do Bureau International des Poids et Mesures - BIPM. Są to podstawowe wzorce pierwotne używane do realizacji wzorca sekundy i skal czasu TAI i UTC. Wśród czołowych laboratoriów świata można wymienić: PTB (Niemcy), OP (Francja), USNO (USA) oraz VNIFTRII (Rosja). Używają one fontann, przeważnie dwóch, do realizacji lokalnych skal czasu UTC. We wszystkich tych laboratoriach widać znaczący wzrost dokładności i stabilności realizowanej skali czasu, średnio o rząd wielkości.

Pierwsza polska fontanna cezowa, budowana przez prof. Krzysztofa Szymańca w NPL z udziałem polskich naukowców Piotra Dunsta i Bartłomieja Nagórnego, została złożona i przechodziła testy we wrześniu 2016 r. Do Obserwatorium Astrogeodynamicznego CBK PAN w Borówcu dotarła 7 grudnia 2016, a już 12 grudnia zostały dokonane pierwsze pomiary. Fontanna cezowa została oficjalnie zaprezentowana podczas telekonferencji w czasie corocznego spotkania wigilijnego z udziałem Dyrekcji, wszystkich pracowników Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz zaproszonych gości z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika PAN, Politechniki Warszawskiej, Wojskowego Biura Zarządzania Częstotliwościami, przedstawicieli Związku Pracodawców Sektora Kosmicznego, firm Astri Polska, Hertz Systems, Astronika i innych.

Fontanna cezowa jest to wzorzec pierwotny, służący do realizacji podstawowej jednostki czasu - sekundy atomowej. Dokładność realizacji sekundy wynosi 1x10^-15, stabilność długookresowa zegara to 5x10^-16. Osiem takich zegarów pracuje w sposób ciągły w głównych laboratoriach czasu na świecie. Wzorce pierwotne odgrywają decydującą rolę w realizacji światowych skal czasu TAI i UTC. Mają bardzo ważne zastosowanie w nauce, szczególnie w radioastronomii, fizyce kwantowej. Sieć połączeń światłowodowych jest stale rozwijana pozwalając na dokładniejsze porównania wzorców mikrofalowych i optycznych między sobą. Generowane czas UTC(AOS) i częstotliwość wzorcowa są dostarczane, z dokładnością ps. światłowodami do: a) Laboratorium KL FAMO w Toruniu (optyka kwantowa, zegar optyczny), b) Obserwatorium w Piwnicach (synchronizacja obserwacji radioastronomicznych, specjalnie VLBI), c) Centrum Superkomputerowo-Sieciowego (PCSS) w Poznaniu. Skąd ma nastąpić dalsza dystrybucja do laboratoriów poznańskich uczelni (w budowie).

Laboratorium Czasu i Częstotliwości OAG w Borowcu, we współpracy z Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), zaangażowane jest w tworzeniu międzynarodowej skali czasu atomowego TAI i UTC oraz polskiej skali czasu atomowego TA(PL). Bierze także udział jako jedyny ośrodek w Polsce we współtworzeniu europejskiego systemu lokalizacyjnego Galileo. Wyposażenie w cztery zegary atomowe i najnowsze systemy dowiązania skal czasu, pozwala na utrzymanie wysokiej dokładności pomiaru czasu, z błędem pomiarów czasu 100 pikosekund. Jest to jeden z najlepszych wyników wśród laboratoriów czasu na świecie.

Laboratorium Czasu i Częstotliwości wraz z innymi laboratoriami zrzeszonymi w krajowym TA(PL) tworzy Polską Skalę Czasu oraz współuczestniczy w tworzeniu światowego czasu uniwersalnego UTC. Obserwatorium w Borowcu, to jedyna polska placówka, która współtworzy i będzie brała czynny udział w europejskim systemie nawigacyjnym Galileo. Ponadto Obserwatorium w Borówcu bierze udział w rozwoju POZA czyli Polskiego Optycznego Zegara Atomowego.

Źródło: CBK PAN

(PG)