ساعة بصرية

يُشار إلى المذبذب المحلي بتغير الساعة. في الساعات الضوئية، يكون المذبذب عبارة عن ضوء ليزر مُثبَّت بتغير الساعة الذرية.

تُستخدم الساعات الضوئية التي تعتمد على الذرات المتعادلة أو المتأينة في العديد من الأنظمة التجريبية. فعلى سبيل المثال، تُحصر ملايين ذرات السترونتيوم المتعادلة في شبكة ضوئية، ^{[ 3 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} تتكون من العديد من مواقع حصر الذرات الضحلة. أما الساعات الأيونية، مثل ساعة أيونات الألومنيوم والزئبق المحصورة معًا ^{[ 13 ]} ، فتحصر ذرة متأينة واحدة أو بضع ذرات داخل مصيدة أيونية عميقة ومعزولة جيدًا . ^{[ 14 ]} في الأنواع الذرية ذات الانتقالات الذرية التي لا يمكن قراءتها باستخدام الليزر التقليدي، تُحصر ذرة ثانية ذات انتقال متاح وتُقرن بالحالة الداخلية لأيون الساعة، ثم تُنقل حالة الساعة إلى هذه الذرة المحصورة. تُعرف هذه التقنية باسم مطيافية المنطق الكمي . ^{[ 15 ]} تُشكل الساعات التي تعتمد على الذرات المتعادلة والمتأينة أساسًا لأحدث الساعات الضوئية. تُوصَف هذه الأنظمة بدقة لمراعاة الانزياحات في تردد الرنين للانتقال الذري نتيجةً للاضطرابات الكهرومغناطيسية الخارجية. ^{[ 16 ]} تُستخدم الليزرات والمصائد المغناطيسية الضوئية لتبريد الذرات لتحسين الدقة. ^{[ 17 ]}

تعتمد الساعات الضوئية على انتقالات إلكترونية ضيقة في المجال البصري. تشمل هذه الانتقالات انتقالات رباعي الأقطاب الكهربائية ^{[ 18 ]} ، وثماني الأقطاب الكهربائية ^{[ 19 ]} ، وانتقالات قلب اللف المغزلي ^{[ 20 ]} . يُستخدم هذا الانتقال كمرجع ترددي لليزر الساعة. يجب مراعاة الطول الموجي اللازم لوصول ليزر الساعة إلى هذا الانتقال بدقة عند تصميم الساعة الضوئية. مع ذلك، لا يتم البحث على نطاق واسع عن أنواع ذرية واعدة للغاية بسبب صعوبة الوصول إلى انتقالات الساعة، مثل الثوريوم-229 والأيونات عالية الشحنة. في كلتا الحالتين، يقع انتقال الساعة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية البعيدة. لا تتمتع تقنية الليزر عند هذه الأطوال الموجية بالمتانة الكافية، ويجب تشغيلها في فراغ لأن الهواء يمتص الضوء بشدة في هذا النطاق الترددي. من الخصائص المرغوبة الأخرى بنية إلكترونية قابلة للتبريد بالليزر . إذا تعذر تبريد الذرة أو الأيون بشكل موثوق باستخدام الليزر، فيجب حصره مع نوع ذري آخر سهل التبريد يمكنه توفير التبريد التشاركي. ^{[ 6 ]} تشمل الميزات المرغوبة الأخرى خصائص تقلل من تأثير الاضطرابات الناتجة عن المجالات الكهربائية والمغناطيسية الخارجية، مثل الكتلة الكبيرة، ومصدر موثوق به طويل الأمد يمكن إحكام غلقه في الفراغ لسنوات. ^{[ 21 ]}

لا تُقدَّر قيمة عنصر الإيتربيوم (Yb)، وهو أحد العناصر الأرضية النادرة، لخصائصه الميكانيكية بقدر ما تُقدَّر لتكامل مستويات الطاقة الداخلية فيه. وقالت ماريانا سافرونوفا: "يُعدّ انتقالٌ مُحدَّد في ذرات الإيتربيوم، عند طول موجي يبلغ 578 نانومتر، حاليًا أحد أدق معايير التردد الذري البصري في العالم". ^{[ 22 ]} ووفقًا لعلماء من معهد الكم المشترك (JQI) وجامعة ديلاوير في ديسمبر 2012، فإنّ هامش الخطأ المُقدَّر يُعادل ثانية واحدة تقريبًا على مدى عمر الكون حتى الآن، أي 15 مليار سنة. ^{[ 23 ]}

إن الانتقال النظري من استخدام الموجات الميكروية كوسيلة "لخروج" الذرات في الساعات إلى استخدام الضوء في النطاق البصري، الذي يصعب قياسه ولكنه يوفر أداءً أفضل، قد أكسب جون إل. هول وثيودور دبليو. هانش جائزة نوبل في الفيزياء عام 2005. ويُعد ديفيد جيه. واينلاند ، أحد الحائزين على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2012، رائدًا في استغلال خصائص أيون واحد محصور في مصيدة لتطوير ساعات ذات استقرار عالٍ. ^{[ 25 ]} وقد أنجز هيديتوشي كاتوري أول ساعة شبكية بصرية في جامعة طوكيو عام 2003، بعد أن اقترح المفهوم قبل ذلك بعامين. كما أُنجزت نسخة أخرى من الساعة البصرية في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا عام 2006، نتيجة لمشروع بحثي بدأ عام 2000. ^{[ 26 ]}

في عام 2013، ثبت أن ساعات الشبكة الضوئية (OLCs) تضاهي أو تتفوق على ساعات نافورة السيزيوم. ساعتان من ساعات الشبكة الضوئية تحتويان على حواليتمكنت 10000 ذرة  من السترونتيوم -87 من البقاء متزامنة مع بعضها البعض بدقة لا تقل عن1.5 × 10⁻¹⁶ ، وهي أعلى دقة يمكن قياسها في التجربة. ^{[ 27 ] وقد ثبت أن} هذه الساعات تضاهي دقة ساعات نافورة السيزيوم الثلاث في مرصد باريس . ويُعزى هذا التحسن المحتمل في الدقة إلى سببين: أولهما، قياس التردد باستخدام الضوء، الذي يتميز بتردد أعلى بكثير من تردد الموجات الميكروية؛ وثانيهما، استخدام عدد كبير من الذرات، مما يقلل من أي أخطاء. ^{[ 28 ]}

باستخدام ذرات الإيتربيوم-171 ، تم تحقيق رقم قياسي جديد للاستقرار بدقة تبلغتم نشر قيمة 1.6 × 10 ⁻¹⁸ على مدى 7 ساعات في 22 أغسطس 2013. عند هذا الاستقرار، فإن ساعتي الشبكة البصرية اللتين تعملان بشكل مستقل عن بعضهما البعض، واللتين يستخدمهما فريق البحث في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ، ستختلفان في أقل من ثانية واحدة على مدى عمر الكون (13.8 × 10⁹ ^سنة  ) ؛ وهذا أفضل بعشر مرات من التجارب السابقة. تعتمد الساعات على 10000 ذرة من الإيتربيوم مُبرّدة إلى 10 ميكروكلفن ومُحاصرة في شبكة بصرية. يُثير ليزر بطول موجي 578 نانومتر الذرات بين مستويين من مستويات طاقتها. ^{[ 29 ]} بعد التأكد من استقرار الساعات، يدرس الباحثون التأثيرات الخارجية ويُقيّمون الشكوك المنهجية المتبقية، على أمل أن يتمكنوا من خفض دقة الساعة إلى مستوى استقرارها. ^{[ 30 ]} وُصفت ساعة شبكية بصرية مُحسّنة في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Nature عام 2014. ^{[ 31 ]}

في عام 2015، قيّم معهد JILA عدم اليقين المطلق في تردد ساعة الشبكة البصرية المصنوعة من السترونتيوم-87 في2.1 × 10⁻¹⁸ ، وهو ما يُعادل تمددًا زمنيًا جاذبيًا قابلًا للقياس لتغير في الارتفاع مقداره ² سم (0.79 بوصة) على كوكب الأرض، والذي، وفقًا لزميل معهد جيلا/المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا جون يي ، "يقترب جدًا من أن يكون مفيدًا في الجيوديسيا النسبية ". ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} عند هذا التردد غير المستقر، من المتوقع ألا يتقدم أو يتأخر ساعة الشبكة البصرية التابعة لمعهد جيلا ثانية واحدة خلال أكثر من 15 مليار سنة. ^{[ 35 ] [ 36 ]}  

في عام 2017، أعلن معهد JILA عن ساعة تجريبية ثلاثية الأبعاد تعتمد على غاز السترونتيوم الكمومي، حيث تُكدس ذرات السترونتيوم-87 في مكعب ثلاثي الأبعاد صغير بكثافة تفوق 1000 ضعف كثافة الساعات أحادية البعد السابقة، مثل ساعة JILA لعام 2015. وقد أظهرت مقارنة بين منطقتين من نفس الشبكة ثلاثية الأبعاد دقة متبقية قدرها5 × 10⁻¹⁹ في ساعة واحدة من وقت المتوسط. ^{[ 37 ]} لا تمثل قيمة الدقة هذه الدقة المطلقة أو ضبط الساعة، والتي تبقى أعلى من ذلك ^.1 × 10 ⁻¹⁸ و1 × 10⁻¹⁷ على التوالي. يُعدّ غاز السترونتيوم الكمومي ثلاثي الأبعاد، وهو حالة غير عادية من المادة تُسمى غاز فيرمي المتدهور (غاز كمومي لجسيمات فيرمي)، العنصر الأساسي في ساعة الشبكة البصرية ثلاثية الأبعاد. تُظهر البيانات التجريبية ^أن ساعة الغاز الكمومي ثلاثية الأبعاد حققت دقة متبقية قدرها3.5 × 10⁻¹⁹ في غضون ساعتين تقريبًا. ووفقًا لجون يي، "يمثل هذا تحسنًا ملحوظًا مقارنةً بأي عروض سابقة". وأضاف يي ^: "يكمن أهم إمكانات ساعة الغاز الكمومي ثلاثية الأبعاد في القدرة على زيادة عدد الذرات، مما سيؤدي إلى زيادة هائلة في الاستقرار"، و"إن القدرة على زيادة كل من عدد الذرات وزمن التماسك ستجعل هذه الساعة من الجيل الجديد مختلفة نوعيًا عن الجيل السابق". ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}

في عام 2018، أفادت شركة JILA أن ساعة الغاز الكمومي ثلاثية الأبعاد قد وصلت إلى دقة تردد متبقية قدرها2.5 × 10⁻¹⁹ خلال 6 ساعات. ^{[ 41 ] [ 42 ]} وقد ثبت مؤخرًا أن التشابك الكمي يمكن أن يساعد في تعزيز استقرار الساعة بشكل أكبر ^{. [ 43 ]}

في عام 2020، أُجريت أبحاث على الساعات الضوئية لاستخدامها في تطبيقات الفضاء، مثل الأجيال القادمة من أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS)، كبديل للساعات القائمة على الموجات الميكروية. ^{[ 44 ]} لم تتفوق ساعة سترونتيوم-87 التي طورها يي على الساعات الضوئية المصنوعة من الألومنيوم-27 ^{[ 45 ]} أو الإيتربيوم-171 ^{[ 46 ]} من حيث دقة التردد.

انظر ^{[ 47 ]} للاطلاع على مراجعة حتى عام 2020.

في فبراير 2022، أعلن علماء من جامعة ويسكونسن-ماديسون عن ساعة ذرية ضوئية " متعددة الإرسال "، حيث انحرفت الساعات الفردية عن بعضها البعض بدقة تعادل فقدان ثانية واحدة في 300 مليار سنة. يُعزى هذا الانحراف الطفيف إلى وجود مذبذبات الساعة المعنية في بيئات مختلفة قليلاً، مما يُسبب استجابات متباينة للجاذبية والمجالات المغناطيسية وغيرها من الظروف. يتميز هذا النهج المبتكر لشبكة الساعات المصغرة باستخدامه شبكة ضوئية من ذرات السترونتيوم وتكوين من ست ساعات، مما يُتيح إثبات الاستقرار النسبي، وعدم اليقين الجزئي بين الساعات، وطرق إجراء مقارنات فائقة الدقة بين مجموعات الساعات الذرية الضوئية الموجودة بالقرب من بعضها في منشأة قياس . ^{[ 48 ] [ 49 ]}

في يونيو 2022، بدأ المعهد الوطني لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (NICT) في اليابان باستخدام ساعة شبكية بصرية من السترونتيوم للحفاظ على التوقيت القياسي الياباني (JST) من خلال دمجها في نظام ساعة ذرة السيزيوم الحالي واستخدامها لضبط إشارة الوقت . ^{[ 50 ]}

اعتبارًا من عام 2022، تُعدّ الساعات الضوئية مشاريع بحثية في المقام الأول، وهي أقل نضجًا من معايير الموجات الميكروية المصنوعة من الروبيديوم والسيزيوم، والتي تُزوّد ​​المكتب الدولي للأوزان والمقاييس (BIPM) بانتظام بالتوقيت لإنشاء التوقيت الذري الدولي (TAI) . ^{[ 51 ]} ومع تفوّق الساعات التجريبية الضوئية على نظيراتها الميكروية من حيث الدقة والاستقرار، يُصبح بإمكانها استبدال المعيار الحالي للوقت، وهو ساعة نافورة السيزيوم. ^{[ 3 ] [ 52 ]} في المستقبل، قد يُؤدي ذلك إلى إعادة تعريف الثانية في النظام الدولي للوحدات (SI) القائمة على الموجات الميكروية المصنوعة من السيزيوم، وسيتطلب الأمر تقنيات نشر جديدة أخرى بأعلى مستوى من الدقة لنقل إشارات الساعة، بحيث يُمكن استخدامها في مقارنات قصيرة المدى وطويلة المدى (ترددية) بين الساعات الأفضل، واستكشاف قيودها الأساسية دون المساس بأدائها بشكل كبير. ^{[ 3 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]} أفاد المكتب الدولي للأوزان والمقاييس في ديسمبر 2021، استنادًا إلى التقدم المحرز في المعايير البصرية التي تساهم في التوقيت الذري، أن اللجنة الاستشارية للوقت والتردد (CCTF) بدأت العمل على إعادة تعريف الثانية المتوقعة خلال ثلاثينيات القرن الحالي. ^{[ 57 ]}

في يوليو 2022، تم عرض الساعات البصرية الذرية القائمة على جزيئات اليود في عرض البحر على متن سفينة حربية، وعملت بشكل مستمر في المحيط الهادئ لمدة 20 يومًا في مناورات ريمباك 2022. ^{[ 58 ]} وقد أدت هذه التقنيات، التي مولتها في الأصل وزارة الدفاع الأمريكية، إلى ظهور أول ساعة بصرية تجارية مثبتة على رف في العالم في نوفمبر 2023. ^{[ 59 ]}