Az optikai rácsok olyan struktúrák, amelyeket lézerek segítségével hoznak létre a kutatók, hogy atomokat ejtsenek csapdába: ezek adják az alapját többek között az újabb generációs, még pontosabb atomóráknak is. Az optikai rácsokban egyenletes elrendezésben helyezkednek el a részecskék, nem csak egy-, vagy két-, hanem akár háromdimenziós szerkezetet alkotva, miniatűr hegyekkel és völgyekkel, amelyeknek magasságát és mélységét a fény intenzitása szabja meg.

Az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológia Intézetének fizikusa, William Phillips volt az első, aki egy véletlen felfedezésnek köszönhetően észrevette, hogy a már korábban megjósolt optikai rácsok valóban magukban tudják tartani az atomokat és ezután már megnyílhatott az út a struktúrák alaposabb tanulmányozása előtt. Phillips a csapatával a nyolcvanas években állította elő a "fény hálóját", ami a kristályok szabályos felépítéséhez hasonló szerkezettel rendelkezik, csakhogy a megalkotása lézerekkel történik.

Ehhez két lézersugarat kell egymással keresztezni, amelyek a találkozási pontnál állóhullámokat generálnak, ebből születik a fényből készült rácsalakzat, amiben a mélyedések egymástól való távolságát a lézerfény hullámhossza határozza meg. A mélyedésekbe az atomok akkor tudnak bekerülni és menthetetlenül csapdába esni, ha ultrahideg hőmérsékletre hűtik őket, bár van amikor még ebben a lelassult állapotban is át tudnak jutni a rácsozat kiemelkedésein (az úgynevezett alagúthatás segítségével), de a lézer intenzitásának módosításával változtatni lehet a szerkezeten és lehetséges egy helyben tartani a részecskéket.

Az ilyen módon mozdulatlanná tett atomokat jobban lehet vizsgálni, de ami még fontosabb, hogy az atomórákat is működtethetik.

Az optikai hálókkal üzemelő atomórák alapvető működési elve ugyanaz, mint az atomok felhőjén alapuló verzióké: a részecskék (az atomokban található elektronok) oszcillációjának, vagyis energiaállapotok közti átmeneteinek detektálása adja az óra ritmusát, de az újabb generációs változatokban a csapdába esett atomok kevesebb interakciója a környezettel pontosabb mérést biztosít. A hagyományos, céziumatomokat alkalmazó típusokban is az atomok rezgésszámának értéke az idő számításának alapja, de ebben az esetben az energiaállapotok közti váltáshoz, vagyis gerjesztéshez mikrohullámú sugárzást használnak: minél közelebb van a sugárzás frekvenciája a részecske természetes rezonanciájához, annál nagyobb eséllyel és annál több atom vált át másik energiaállapotba.

Az optikai megoldásnál stroncium, de gyakrabban itterbium atomokat használnak és az elektromágneses spektrum látható fény tartományában működő sugárzással végzik a gerjesztést, tehát lézerekkel generálják az oszcillációt és ezzel is végzik a mérést. A Birmingham Egyetem leírása szerint így tízezerszer pontosabb órákat lehet létrehozni, mint mikrohullámokkal.

Az egyetem kutatói készítették el azt az atomórát, ami az eddigieknél sokkal stabilabb kialakításának és kisebb méretének (121 literes, 75 kilogrammos és 320 W-os) köszönhetően egy olyan jellemzővel is rendelkezik, ami igen értékessé teheti a gyakorlati felhasználást illetően: a berendezés ugyanis könnyedén szállítható. Ez a nem mindennapi tulajdonsága lehetővé teszi, hogy az órát stratégiailag fontos helyeken állítsák fel, méghozzá, szükség esetén akár néhány óra leforgása alatt, vagyis az eszköz a laboratóriumokon kívül is bevethetővé válhat.

A robosztusságot a berendezés belsejében lévő extra kicsi vákuumkamra biztosítja,

ahol egyszerre közel 160 000 ultrahideg atomot tudnak csapdába zárni egy másodperc alatt. A teszt során stronciumatomokat használtak a kutatók, de itterbiumatomokkal is üzemeltethető az eszköz. A speciális kamrában a környezeti hatások kevésbé hatnak a részecskékre és az eszköz szállítása közben sem esik bajuk - a kutatók ezt egy 200 kilométeres utazás során demonstrálták, ami után a célhelyszínen 90 perc alatt működőképes állapotba hozták az odafuvarozott órát.

Az egyetem munkáját a brit Védelmi Tudományos és Technológiai Laboratórium (Dstl) támogatta, ami a Védelmi Minisztérium jövőbeli programjainak fontos eszközét látja a berendezésben.

"Ezek az órák alakíthatják a jövőt a nemzeti infrastruktúra ellenállóságának növelésével és a kommunikációs és érzékelőhálózatok kialakításának megváltoztatásával."

- mondta el a Dstl szóvivője.

Az, hogy az atomórák ilyen rendkívüli pontossággal képesek mérni az időt, akár bizonyos problémákat is felvethet a nemzetközi együttműködés, az órák összehangolása tekintetében: a berendezésekre ható gravitációs erő ilyen érzékenység mellett már pár centiméteres, sőt, milliméteres elmozdítás esetén is érezteti a hatását: egy magasabban elhelyezett óra máshogy mér, mint a talajhoz (tengerszinthez) közelebb lévő eszköz.

Az órák és az általuk végzett mérések pontosságának fejlődését látványosan jellemzi, hogy míg a NIST 2010-ben még egymástól 33 centiméterrel magasabban/alacsonyabban lévő órákkal demonstrálta a különbséget, addig 2022-ben már az intézethez tartozó JILA a távolságot egy milliméterre csökkentve is ki tudta mutatni az eltérést egy stronciumatomokat használó eszköz felső és alsó része között. Az optikai háló különböző (alacsonyabb és magasabb) területein található atomok frekvenciaváltozása 0,0000000000000000001 vöröseltolódást mutatott, vagyis nagyon kis mértékű volt, de a kutatók szerint az atomórák pontosságára alapozott technológiák, úgymint a GPS-es navigációs alkalmazások már megérezhetik a hatását.

A Nemzetközi Atomidőt a világ különböző laboratóriumaiban működő több mint 400 atomóra mérései alapján határozzák meg, de a kutatók az optikai rácsos órák extrém precizitására való tekintettel már a másodperc újradefiniálását sürgetik, a jelenlegi, cézium-133 atomok oszcillációjának mérésén alapuló módszer helyett. A Nemzetközi Atomidő meghatározására szolgáló órák teljesítménybeli eltéréseinek kiegyenlítését a franciaországi székhelyű Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal (BIMP) azzal oldja meg, hogy a pontosabb órák méréseit valamivel nagyobb súllyal veszi figyelembe az összesítés során a BBC leírása szerint.

(Fotó: NIST, University of Birmingham, G.E.Marti/JILA, R.Jacobson/NIST, Steven Burrows/The Kaufman Group)

Az óráink egyre pontosabbak, de ennek ára lehet: növelik az entrópiát Először bizonyították be egy kísérletben, hogy nem csak a kvantumvilágban áll összefüggésben az óra pontossága az általa keltett entrópiával.