Atom Saati Nedir?

Zamanı doğru ölçmek eski çağlardan beri insanoğlunu uğraştıran bir konu olmuştur. Son yüzyılda insan teknolojik yaşanan gelişmeler milyonlarca yılda sadece bir saniye hata verme olasılığına sahip atom saatlerini mümkün kılmıştır. Peki atom saatleri nelerdir? Nerelerde kullanılır ? Tüm bu soruların cevapları ve daha fazlası yazımızda.

A- A+

25.10.2015 tarihli yazı 52909 kez okunmuştur.

Atom Saat NIST Zaman Teknoloji Osilatör Manyetik Alan

► Atom Saati Nedir?

Hayatımızın ayrılmaz bir parçası haline gelen internet, GPS gibi birçok teknolojinin temelinde, zamanın doğru tespiti ve her yerde birbiriyle uyumlu olması vardır. İşte bize bu imkanları sağlayan en önemli araçlardan biri de atom saatleridir. Atomik saatler başka hiçbir saatin yapamayacağı kadar iyi derecede zamanı tutar. Hatta Dünya'nın dönme hareketi ve yıldızların hareketlerinden bile daha iyi bir zaman göstergesidir. Atomik saatler olmadan GPS teknolojisi ve internetin senkronize olması imkansız olurdu.

►İlginizi Çekebilir: Atom Modelleri | 1. Bölüm

Atomik saatler ile ilgili en büyük yanlış kanı, radyoaktif oldukları düşüncesidir. Bu saatler radyoaktivite temelli değildir. Klasik saatlerin zamanın tespiti için osilatörlerin veya rezonatörlerin titreşimlerini kullanmaları gibi atom saatleri de osilatör kullanırlar. Fakat bu biraz farklı osilatördür. Bu osilatörleri açıklamak için öncelikle her atomun kendine özgü bir osilasyon frekansına sahip olduğunu bilmeliyiz. Bu titreşimin sebebi atomun sahip olduğu sıcaklıktaki elektronların bu sıcaklıktan dolayı atomik enerji seviyelerindeki ışımalarıdır. Bu titreşimlerin aynı deney şartlarında elementten elemente farklılık gösterir. Titreşimlerin atom saatlerini ilgilendiren en büyük özelliği ise aynı atomların belli bir enerji seviyesindeki titreşiminin çok yüksek bir düzen içinde olmasıdır. Yani atomların (molekülde olabilir) manyetik rezonansözelliği onları ideal bir osilatör adayı yapmaktadır.

►İlginizi Çekebilir: Uzay - Zaman Kavramı | Zaman Herkes İçin Farklı Mı İşliyor?

Birçok atom ve molekül atom saatlerinde kullanılabilir. Fakat en yaygın kullanımı olan atomlar sezyum, rubidyum ve hidrojendir. Bu atomlar kullanılarak oluşturulmuş saatler arasındaki en büyük farklılık kullandıkları element atomlarının enerji seviyesindeki değişiklikleri tespit etme araçlarıdır. Şunu belirtmek gerekir ki, bu atomlar kullanılarak yapılan saatlerin belli durumlarda diğerlerine göre büyük avantajları vardır. Örneğin; kısa zaman diliminde hidrojen atom saatlerinin doğruluğu sezyum atom saatlerinin doğruluğundan 10 kat fazla iken uzun zaman dilimlerinde sezyum atom saatlerinin doğruluğu daha yüksektir. Günümüzde en kesin zaman ölçüm sonuçları sezyum atom saatleri ile elde edilir. Modern sezyum atom saatlerinin (en yaygın türü) uzun vadede ulaşabileceği doğruluğu bir milyonlarca yılda bir saniyeden daha iyidir.

Eğer aynı şartlar ve enerji seviyesinde herhangi sezyum atomunu alır ve rezonansını araştırırsanız, başka bir sezyum atomu ile tam olarak aynı frekansta rezonansa sahip olduğunu görürsünüz. Sezyum-133 saniyede 9.192.631.770 kez titreşim üretir ve daha önce de belirtiğimiz özellikleri göz önüne alırsak bu saatlerin Doğruluğunun kuvars bir saatin doğruluğundan tamamen farklı olduğunu görürüz. Kuvars saatlerde, kuvars kristali ve onun salınım frekansı bazı standart frekansa yakın olacak şekilde üretilmiştir; ancak üretimden dolayı her kristal biraz farklı olmasına neden olacak ve sıcaklık gibi şeyler frekansı değiştirecek olan bir tolerans aralığına sahiptir. Sezyum atomunun atom saati içindeki osilasyonuna dönecek olursak, bir atom saati içinde sezyum atomunun rezonans yapması için geçiş ya da rezonans frekanslarının birini doğru bir şekilde ölçmek gereklidir. Bu işlem normalde, sezyum atomunun manyetik rezonans ışıması sinyaline bir kristal osilatör eklenip aynı atomun farklı enerji seviyelerinin ayıklanması ile yapılır. Bu sinyal, radyo dalgalarının spektrum aralığındadır ve sadece uydu üzerinden doğrudan yapılan yayınlarla aynı frekansta olması gerekir.

Sezyum atomlarının atom saati için kullanışlı bir hale getirilmesi süreci genel olarak şöyledir;

Bir grup atom sağ, sol, ön, arka, yukarı ve aşağı bölgelerine yerleştirilen altı adet lazer tarafından oluşturulan optikal kapanda lazer ışığına maruz bırakılırlar. Lazer ışınlarının momentumundan dolayı atomlar birbirine sıkıca yaklaşır ve bundan dolayı neredeyse hiçbiri titreşim yapamaz. Bu durumda atomların sıcaklıkları mutlak sıfıra (-273.15 ⁰C) ulaşır. Çünkü sıcaklığın sebebi olan titreşim hareketi artık yoktur. Bu işlemden sonra atomlar üst ve alt lazerlerin yardımıyla oluşturulan mikrodalga çemberinde aşağı-yukarı yönlü hareket ederler. Bu işlem sonunda atomlar belli bir enerji seviyesine ulaşmış olurlar.

Buradan sezyum atomları ısıtılıp gaz haline geçirilir ve yüksek vakum gücüne sahip bir tüpe aktarılırlar. Burada atomlar istenilen enerji durumundaki atomları ayrıştıracak bir manyetik alan temelli bir sistem ile ayrıştırılırlar. Bir sonraki adımda ise atomların doğru frekanstaki bir mikrodalga ile uyarıldığında enerji seviyesinin değişmesi ilkesi temel alınarak tam olarak 9.192.631.770 Hertz frekansı dışında salınım yapan tüm atomların enerji seviyelerini değiştiren yoğun mikrodalga ışınlarının olduğu bir sisteme geçerler. Tüpün en sonunda ise enerji seviyeleri değiştirilmiş bütün atomları ayıklayan bir başka manyetik alan vardır. Tüpün en sonundaki bir dedektör ise atomların titreşim frekanslarının hangi aralıkta olduğuna dair bir çıktı verir. Bu verilerden yola çıkılarak bir kristal osilatörün 9.192.631.770 Hertz frekansında olmayan atomları belirlemesiyle manyetik alanda küçük değişiklikler yapılarak 9.192.631.770 Hertz frekansındaki atomlar elde edilir. Uluslararası SI birim sisteminde sezyum 133 atomunun 9.192.631.770 kez titreşim üretme süresi 1 saniye olarak kabul edilir. Bundan dolayı her 9.192.631.770 titreşimde bir saniye geçtiğine dair sinyal verilir.

► Atom Saatlerinin Kullanımı

Günlük yaşamımıza atom saatleri, internet, GPS ve radyo kontrollü saatlerle girmişlerdir. Bu saatler radyo sinyalleri aracılığıyla Colorado’daki atom saati ile kendilerini senkronize ederler. Bu özellik Boulder Colorado’da bulunan Amerikan Ulusal Standartlar ve Teknolojiler Enstitüsü tarafından kurulup işletilen sistem tarafından sağlanmaktadır. NIST’TEN zamanı bildiren radyo yayını WWVB adındaki bir radyo istasyonundan yürütülmektedir. WWVB çok ilginç bir radyo istasyonudur. Yüksek verici gücüne (50.000 watt), çok verimli bir antene ve son derece düşük bir frekansa (60.000 Hz) sahiptir. Tipik bir AM radyo istasyonu 1.000.000 Hz frekansında yayınlar yaptığı göz önüne alındığında WWVB’nin sıra dışı bir radyo istasyonu olduğu söylenebilir. Düşük frekans ve yüksek gücün sağladığı avantajdan dolayı tek bir istasyon olan WWVB Amerika Birleşik Devletleri’ne ek olarak Kanada ve orta Amerika ülkelerine ulaşma imkânına sahiptir. Aynı şekilde Çin, Japonya, Almanya ve Rusya’da atom saati istasyonları mevcuttur. Ülkemizde ise TÜRKSAT Saat TV kanalı TÜRKSAT bünyesindeki atom saatine göre saat bilgisi yayını yapmaktadır. Bu kanalda saat bilgisi ses tonundan verilmektedir. Reciever ses çıkışı IRIG-B uyumlu saatlere bağlandığında saat bilgisi otomatik olarak güncelleşmektedir.

Uyumlu bir saat zaman bilgilerini içeren sinyallerdeki binary kodları çözümleyerek saati doğru bir şekilde ayarlayabilir. Bu tip saatler zamanını ayarlamak için son derece küçük ve nispeten basit anten ve alıcı içerebilir. Zamanı doğru ayarlamak için yapmanız gereken tek şey bulunduğunuz zaman dilimini ayarlamaktır. Atom saatleri ayrıca Amerika, Rusya, Çin, Almanya, İngiltere ve NATO askeri kuvvetlerinde başta hava savunma sistemleri olmak üzere birçok alanda atom saatlerinden yararlanmaktadırlar. NASA başta olmak üzere birçok bilimsel araştırma yapan kurum da atom saatlerinden yaralanmaktadırlar.

► Atom Saatlerinin Tarihçesi

Isidor Isaac Rabi kendisinin 1930’larda keşfetmiş olduğu nükleer manyetik rezonanstan yola çıkarak bir atom saatinin geliştirilebileceği fikrini ortaya attı. 1949 yılına gelindiğinde ise NBS (şimdiki adıyla NIST) amonyak molekülünü titreşim kaynağı olarak kullanarak bir atom saati geliştirdiğini duyurdu. 1952’ye gelindiğinde aynı kurum sezyum atomunu titreşim kaynağı olarak kullanarak bir atom saati geliştirdiklerini duyurdu. 1955 yılında, İngiltere'deki Ulusal Fizik Laboratuvarı kalibrasyon kaynağı olarak kullanılan ilk sezyum-ışın saatini yaptı. 1967’de Uluslararası SI birim sisteminde sezyum 133 atomunun 9,192,631,770 kez titreşim üretme süresi 1 saniye olarak kabul edilldi.1968 yılında tamamlanmış olan NBS-4 ise uzunca bir süre dünyanın en gelişmiş atom saati oldu.1999 yılında geliştirilen NIST-F1 20 milyon yılda yaklaşık bir saniye hata oranına sahiptir.Ağustos 2004'te ilk kez NIST tarafından bilgisayarlarda kullanılan çipi boyutunda atom saatini üretildi. Massachusetts Ulusal Şirketi sezyum atomu kullanarak ilk ticari atom saatlerini üretti. Bugün, Hewlett Packard, Frekans Elektronik ve FTS gibi çeşitli üreticiler tarafından üretilmektedir. Günümüzde birçok farklı atom veya molekül kullanılarak atom saatleri ve bunların benzeri olan kuantum lojik saatleri geliştirilmeye devam ediliyor.