En algun cas, el rellotge atòmic és un rellotge de quars en el qual la vibració del cristall de quars és estabilitzada per la freqüència d’una transició atòmica. Aquesta és independent de la pressió i de la temperatura, de l’envelliment i dels xocs i, per tant, l’oscil·lador atòmic és insensible a les principals causes que condicionen la precisió dels altres rellotges. Els patrons atòmics de freqüència es poden classificar en tres grans categories: els màsers , els ressonadors de broll atòmic (o de feix atòmic ) i les cèl·lules de gas . Els màsers són patrons actius, és a dir automantinguts, mentre que els ressonadors de broll atòmic i les cèl·lules de gas són patrons passius, és a dir, que necessiten una excitació exterior. El màser d’hidrogen atòmic, l’oscil·lador més estable conegut actualment, és un oscil·lador automantingut que treballa a la freqüència de 1 420 405 751 Hz. L’energia de manteniment de les oscil·lacions del màser és fornida pels mateixos àtoms d’hidrogen. Una transició entre dos nivells d’energia ben definits dels àtoms d’hidrogen fixa la freqüència patró esmentada. A part els màsers d’hidrogen, hom ha construït màsers d’amoníac, de cianur d’hidrogen i de rubidi-87. El ressonador de broll atòmic (o de feix atòmic ) és un patró atòmic de freqüència de tipus passiu. El ressonador de cesi-133 és el més emprat actualment en els rellotges atòmics i treballa a la freqüència de 9 192 631 770 Hz. El broll o feix d’àtoms de cesi que comuniquen llur freqüència natural al ressonador s’inicia en un petit forn a una temperatura entre 100 i 200°C. Els àtoms emesos travessen un primer electroimant que deixa passar cap al ressonador només aquells que posseeixen el nivell quàntic apropiat. A la cavitat ressonadora s’ha creat un camp magnètic estacionari de freqüència molt pròxima a la de la transició atòmica que hom vol provocar. Allí té lloc la interacció entre la freqüència aportada per l’oscil·lador de quars i l’emissió quàntica del cesi. Com més properes són ambdues freqüències, més alta serà la quantitat d’àtoms que experimentaran la transició. Només aquests seran desviats a la sortida, per un segon electroimant, cap a un detector d’ions que els comptarà. Amb aquest compte es pot controlar i mantenir automàticament, mitjançant un servomecanisme, la freqüència de l’oscil·lador de quars, que arriba així a assolir una precisió de l’ordre d’unes milionèsimes de segon al dia, la qual cosa equival a un error d’un segon en tres mil anys aproximadament. A més del de cesi, existeixen actualment ressonadors de feix atòmic de tal·li i de rubidi. Les cèl·lules de gas utilitzades actualment en els patrons atòmics de freqüència són totes de rubidi. Tanmateix s’efectuen estudis sobre cèl·lules de cesi. La cèl·lula de gas és un tipus de patró de freqüència molt compacte, ja que no necessita tub de buit ni imants deflectors ni broll d’àtoms; així, doncs, és utilitzat principalment com a rellotge atòmic transportable i és més econòmic que la resta de tipus, bé que és una mica menys precís. La cèl·lula de rubidi és un patró atòmic de freqüència passiu (excitat exteriorment). El rubidi emprat és constituït per una combinació de dos isòtops (Rb-85 i Rb-87) de freqüències pròpies molt diferents, 3036 MHz i 6835 MHz, respectivament. Aquesta darrera és la freqüència pròpia del rellotge ja que és la de l’isòtop ressonador.
m
Tecnologia
Esquema d’un ressonador de feix atòmic de cessi-133: 1, forn de cessi-133; 2, diafragmes; e, selector d’estat (d’entrada); 4, cavitat ressonant; 5, bobina elèctrica; 6, pantalles magnètiques; 7, analitzador (selector d’estat de sortida); 8, ionitzador de fil calent; 9, espectòmetre de massa; 10, fotomultiplicador; 11, recipient (tub de buit); 12, servomecanisme regulador de la freqüència del quars; 13, oscil·lador de quars; 14, divisors de freqüència
© fototeca.cat
Rellotge constituït per un patró atòmic de freqüència que produeix oscil·lacions d’una freqüència molt estable i per un dispositiu electrònic que permet de comptar aquestes oscil·lacions.