NIST के वैज्ञानिक ग्रेग होथ (बाएं) और व्लादिस्लाव गेर्गिनोव NIST-F4, NIST की नई सेज़ियम फाउंटेन घड़ी पर काम करते हैं।
श्रेय: आर। एस्कलिस/एनआईएसटी
कोलोराडो के बोल्डर में नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST) परिसर में एक नई परमाणु घड़ी NIST-F4 के लिए पृथ्वी पर घड़ियाँ थोड़ी अधिक नियमित रूप से धन्यवाद दे रही हैं।
इस महीने, NIST शोधकर्ताओं ने NIST-F4 को दुनिया के सबसे सटीक टाइमकीपर्स में से एक के रूप में स्थापित करते हुए एक जर्नल लेख प्रकाशित किया। NIST ने इंटरनेशनल ब्यूरो ऑफ वेट एंड उपायों (BIPM) द्वारा प्राथमिक आवृत्ति मानक के रूप में स्वीकृति के लिए घड़ी भी प्रस्तुत की है, जो शरीर दुनिया के समय की देखरेख करता है।
NIST-F4 1967 के बाद से दूसरे को परिभाषित करने के लिए अंतरराष्ट्रीय स्तर पर सहमत आधार पर सीज़ियम परमाणुओं के दिल में एक अपरिवर्तनीय आवृत्ति को मापता है। घड़ी एक “फाउंटेन” डिजाइन पर आधारित है जो टाइमकीपिंग में सटीकता के सोने के मानक का प्रतिनिधित्व करता है। NIST-F4 इतनी स्थिर दर पर टिक जाता है कि अगर यह 100 मिलियन साल पहले शुरू करना शुरू कर देता था, जब डायनासोर घूमते थे, तो यह आज एक सेकंड से भी कम समय के लिए बंद हो जाएगा।
दुनिया भर के सिर्फ 10 देशों द्वारा चलाए जा रहे समान कुलीन समय के टुकड़ों के एक छोटे समूह में शामिल होने से, NIST-F4 वैश्विक समय की नींव को अधिक स्थिर और सुरक्षित बनाता है। इसी समय, यह आधिकारिक अमेरिकी समय रखने के लिए NIST का उपयोग करने वाले घड़ियों को चलाने में मदद कर रहा है। रेडियो और इंटरनेट के माध्यम से वितरित, आधिकारिक अमेरिकी समय दूरसंचार और परिवहन प्रणालियों, वित्तीय ट्रेडिंग प्लेटफार्मों, डेटा सेंटर संचालन और बहुत कुछ के लिए महत्वपूर्ण है।
NIST-F4 ने समय के संकेतों में सुधार किया है, जो “घड़ियों और घड़ियों को सेट करने से लेकर हर दिन हर दिन अरबों का उपयोग करते हैं, जो सैकड़ों अरबों डॉलर के इलेक्ट्रॉनिक वित्तीय लेनदेन के सटीक समय पर मुहर लगाते हैं,” NIST में समय और आवृत्ति डिवीजन के प्रमुख लिज़ डोनले ने कहा।
NIST-F4 का परिचय: देश का नया प्राथमिक आवृत्ति मानक
एक विशेष प्रकार की घड़ी
सीज़ियम फाउंटेन घड़ियाँ जैसे कि NIST-F4 एक प्रकार की परमाणु घड़ी है-एक जटिल, उच्च-सटीक उपकरण जो परमाणुओं से समय दालों को निकालता है। ये घड़ियाँ हमारे विश्व स्तर पर जुड़े समाज में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं: वे “प्राथमिक आवृत्ति मानकों” के रूप में काम करते हैं जो समन्वित सार्वभौमिक समय, या UTC (दुनिया भर में परमाणु घड़ियों के डेटा का उपयोग करने के लिए एक सहमत-प्रणाली, एक समय के पैमाने के रूप में जाना जाता है) को समन्वित करने के लिए एक साथ काम करते हैं।
NIST जैसे राष्ट्रीय माप प्रयोगशालाएँ अपने स्वयं के समय के तराजू का उपयोग करके UTC के संस्करणों का उत्पादन करती हैं और वितरित करती हैं; उदाहरण के लिए, NIST का संस्करण UTC (NIST) के रूप में जाना जाता है। उन राष्ट्रीय समय के तराजू का उपयोग तब उन घड़ियों और नेटवर्कों को सिंक्रनाइज़ करने के लिए किया जाता है जिन्हें हम अपने दैनिक जीवन में भरोसा करते हैं।
फव्वारे की घड़ियों में, हजारों सीज़ियम परमाणुओं के एक बादल को पहले लेज़रों का उपयोग करके निरपेक्ष शून्य के पास ठंडा किया जाता है। फिर, लेजर बीम की एक जोड़ी परमाणुओं को धीरे से ऊपर की ओर टॉस करती है, जिसके बाद वे अपने वजन के नीचे आते हैं।
उनकी यात्रा के दौरान, परमाणु माइक्रोवेव विकिरण से भरे एक छोटे कक्ष से दो बार गुजरते हैं। पहली बार, जैसा कि परमाणु अपने रास्ते पर हैं, माइक्रोवेव्स ने परमाणुओं को एक क्वांटम स्थिति में डाल दिया, जो समय में एक विशेष आवृत्ति पर चक्रों को सीज़ियम गुंजयमान आवृत्ति के रूप में जाना जाता है – प्रकृति के नियमों द्वारा एक अपरिवर्तनीय स्थिरांक सेट।
लगभग एक सेकंड बाद, जैसे -जैसे परमाणु वापस नीचे गिरते हैं, माइक्रोवेव और परमाणुओं के बीच एक दूसरी बातचीत से पता चलता है कि घड़ी की माइक्रोवेव आवृत्ति परमाणुओं की प्राकृतिक गुंजयमान आवृत्ति के लिए कितना करीब है। इस माप का उपयोग परमाणु अनुनाद आवृत्ति की ओर माइक्रोवेव आवृत्ति को ट्यून करने के लिए किया जाता है।
एक डिटेक्टर तब ठीक ट्यून किए गए माइक्रोवेव के 9,192,631,770 तरंग चक्रों की गिनती करता है। उन चक्रों को गिनने में लगने वाला समय आधिकारिक अंतरराष्ट्रीय दूसरे को परिभाषित करता है।
(यह 2030 की शुरुआत में बदल सकता है, जब राष्ट्र तथाकथित ऑप्टिकल घड़ियों में उपयोग किए जाने वाले एक या एक से अधिक अलग-अलग परमाणु तत्वों के संदर्भ में दूसरे को फिर से परिभाषित करने पर विचार करने की योजना बनाते हैं, जो फव्वारे की घड़ियों की तुलना में अधिक सटीक रूप से समय को माप सकते हैं। उसके बाद भी, सीज़ियम फाउंटेन घड़ियां अभी भी एक महत्वपूर्ण खेलेंगे, हालांकि समय-समय पर कम, समय की भूमिका निभाते हैं।)
NIST-F4, NIST की सबसे नई फाउंटेन घड़ी, कैसे काम करती है?
बनाने में एक यात्रा के वर्षों
20 से अधिक सीज़ियम फव्वारे दुनिया में कहीं भी काम कर रहे हैं। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध परमाणु घड़ियों के विपरीत, जो इंटरनेट डेटा केंद्रों, शेयर बाजारों और अन्य निजी उद्यमों के लिए कुछ सेकंड से टिक करते हैं, लगभग हर फव्वारा घड़ी को NIST जैसे राष्ट्रीय माप प्रयोगशाला में वैज्ञानिकों द्वारा बनाया और संचालित किया जाता है।
“यह एक सुंदर तकनीक है जिसमें वास्तविक प्रदर्शन के लाभ हैं, लेकिन यह बहुत नाजुक है,” फाउंटेन क्लॉक टीम के एक एनआईएसटी भौतिक विज्ञानी ग्रेग होथ ने कहा।
NIST-F4 को इस दुर्लभ क्लब में भर्ती करना एक यात्रा के वर्षों में था। NIST वैज्ञानिकों ने 1990 के दशक के अंत में एजेंसी की पहली फाउंटेन क्लॉक, NIST-F1 का निर्माण किया। NIST-F1 डेढ़ दशक से अधिक समय तक चला और इसका उपयोग नियमित आवृत्ति अंशांकन करने के लिए किया गया। लेकिन फाउंटेन घड़ियां उतनी ही नाजुक हो सकती हैं जितनी कि वे सटीक हैं, और 2016 में एक नई इमारत में जाने के बाद, घड़ी को फिर से प्राथमिक आवृत्ति मानक के रूप में संचालित करने के लिए बहाल और सावधानीपूर्वक परीक्षण किया जाना था – एक ऐसी प्रक्रिया जो अपेक्षा से अधिक समय तक ले गई।
2020 में, भौतिक विज्ञानी व्लादिस्लाव गर्गिनोव ने NIST-F1 के आवृत्ति मापों की जांच शुरू की। आखिरकार, उन्होंने, होथ और उनके सहयोगियों ने घड़ी के मूल को पुनर्निर्माण करने का फैसला किया – माइक्रोवेव गुहा, जहां सीज़ियम परमाणुओं को मापा जाता है – खरोंच से। आवश्यक सटीकता को प्राप्त करने के लिए, उन्हें 5 से 10 माइक्रोन की सहिष्णुता प्राप्त करने की आवश्यकता थी-एक मानव बाल की चौड़ाई में लगभग एक-पांचवां हिस्सा।
वैज्ञानिकों ने नए इलेक्ट्रिक हीटिंग कॉइल, चुंबकीय कॉइल, ऑप्टिक्स और माइक्रोवेव घटकों को जोड़ा और ठीक किया। NIST टीम ने नए फाउंटेन NIST-F4 का नाम लेने का फैसला किया। (NIST ने दो अन्य फाउंटेन घड़ियों, NIST-F2 और NIST-F3 का निर्माण किया है, जो NIST-F4 को श्रृंखला में चौथा बना रहा है।)
अनुसंधान टीम ने यह सुनिश्चित करने के लिए महीनों के माप लिया कि NIST-F4 को दबाव और तापमान में उतार-चढ़ाव या आवारा विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों जैसे कारकों द्वारा नहीं फेंका गया था। उन्होंने फाउंटेन की टिकों की तुलना हाइड्रोजन मासर्स से की – वर्कहॉर्स परमाणु घड़ियों जो आधिकारिक अमेरिकी समय के लिए सेकंड से टिक करते हैं – यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे एक स्थिर, अपरिवर्तनीय बीट रख रहे थे।
होथ ने कहा, “फाउंटेन घड़ियों को बहुत उबाऊ माना जाता है।”
Gerginov ने कहा कि NIST-F4 जैसे फव्वारे की घड़ी का मूल्यांकन एक धीमी प्रक्रिया है क्योंकि हमें बहुत रूढ़िवादी होना है। ” उन्होंने कहा, “हमें इसके बारे में सब कुछ पता होना चाहिए” इसे सेवा में डालने से पहले, उन्होंने कहा, क्योंकि समय संकेतों में कोई भी त्रुटि न केवल हमें समय बल्कि वैश्विक टाइमकीपिंग इन्फ्रास्ट्रक्चर भी भ्रष्ट कर सकती है।
इस महीने, NIST टीम ने जर्नल में बताया मेट्रोलॉजी NIST-F4 के आवृत्ति माप 10 से 16 वें (10 मिलियन बिलियन) में 2.2 भागों के भीतर सटीक थे-दुनिया की सर्वश्रेष्ठ फाउंटेन घड़ियों के बराबर। NIST टीम ने BIPM को घड़ी का डेटा भी भेजा, जहां विशेषज्ञों की एक टीम BIPM को आधिकारिक तौर पर प्राथमिक आवृत्ति मानक के रूप में घड़ी को प्रमाणित करने से पहले इसकी जाँच कर रही है।
“NIST-F4 की सफलता ने प्राथमिक आवृत्ति मानकों में NIST के वैश्विक नेतृत्व को नवीनीकृत किया है,” डोनले ने कहा। “व्लादी और ग्रेग ने NIST के परमाणु फव्वारे के विश्वसनीय, विश्व स्तरीय संचालन को बहाल करने के लिए सरलता और कौशल का उपयोग किया।”
NIST-F4 और एक दूसरी फाउंटेन घड़ी, NIST-F3, लगभग 90% समय संचालित करती है, जिसमें कम से कम एक घड़ियां किसी भी समय चल रही हैं। NIST-F4 से डेटा को समय-समय पर BIPM को UTC को कैलिब्रेट करने के लिए भेजा जाएगा, और दोनों घड़ियां पहले से ही NIST टाइम स्केल UTC (NIST) को चलाने में मदद कर रही हैं।
एनआईएसटी समय के पैमाने ने “फाउंटेन के उच्च अपटाइम और इसके प्रदर्शन की विश्वसनीयता से पहले ही काफी लाभान्वित किया है,” डोनले ने कहा।
पेपर: व्लादिस्लाव गेर्गिनोव, ग्रेगरी डब्ल्यू। होथ, थॉमस पी। हेवनेर, थॉमस ई। पार्कर, कर्ट गिब्बल और जेफ ए। शर्मन। प्राथमिक आवृत्ति मानक NIST-F4 की सटीकता मूल्यांकन। मेट्रोलोगिया। ऑनलाइन प्रकाशित 15 अप्रैल, 2025। DOI: 10.1088/1681-7575/ADC7BD