Metrologialaitos VTT MIKES eli aiemmin mittatekniikan keskuksena tunnettu laitos on edistynyt työssään uuden sukupolven optisen atomikellon kehittämiseksi. Pohjoismaiden ensimmäinen optinen kello on osoitettu koekäytössä toimivaksi, ja sen mittaustarkkuutta parannetaan edelleen.

Yhtenä projektin tavoitteena on, että VTT MIKES voisi osallistua kellon avulla maailmanajan ylläpitoon ja SI-sekunnin yhä tarkempaan määrittelyyn. Maailmassa on kasvava tarve tarkalle ajalle, muun muassa 5G-tietoliikenneverkoissa, digitaalisissa sähköverkoissa ja digitaalisessa kaupankäynnissä, kuten nopeassa pörssikaupassa. Tarkkaa aikaa hyödynnetään lisäksi monilla aloilla perusfysiikasta maanmittaukseen ja satelliittinavigoinnista tähtitieteen radioastronomiaan.

Ajan tarkka mittaaminen perustuu atomikelloihin ja esimerkiksi Suomen virallista aikaa pidetään yllä kaupallisten atomikellojen avulla. Perinteisesti atomikellot ovat mitanneet aikaa tuottamalla atomien energiasiirtymään viritettyjä mikroaaltoja. Uuden sukupolven optiset valokellot mittaavat aikaa tuottamalla sen sijaan valoa määrätyllä taajuudella. Valon avulla aikaa voidaan mitata kymmeniä kertoja tarkemmin kuin kaupallisilla atomikelloilla.

Kaupallisen atomikellon taajuus vastaa SI-sekuntia tyypillisesti 14 desimaalin tarkkuudella eli se edistää tai jättää yhden nanosekunnin vuorokaudessa. Optisen atomikellon tarkkuus on jo nyt 17 desimaalia eli tuhat kertaa parempi ja sitä voidaan käyttää jatkuvasti käyvien kaupallisten atomikellojen kalibrointiin.

VTT MIKES on kehittänyt laserjäädytettyyn ioniin perustuvaa valokelloa lähes kymmenen vuoden ajan. VTT MIKESin varovaisen arvion mukaan mittaustarkkuus voisi yltää 18 desimaaliin vuonna 2030. Kansainvälisen metrologiajärjestön (BIPM) laatiman tiekartan mukaan SI-sekunnin määritelmä uudistuu nykyisestä Cesiumatomin mikroaaltosiirtymästä, ja perustuu jatkossa optiseen siirtymään. Tämä muutos tapahtunee 2030-luvulla. VTT osallistuu uudella kellolla tulevaisuudessa myös SI-sekunnin uudelleen määrittämiseen.

VTT MIKESin optinen atomikello osallistui keväällä 2022 ensimmäiseen kansainväliseen taajuusvertailuun, jonka tulokset julkaistaan pian. Lähivuosien tutkimustyön tavoitteena on edelleen parantaa tarkkuutta ja automatisoida kellon toimintaa niin että se pysyy käynnissä viikkoja tai kuukausia ilman huoltoa.

Kun kahta optista kelloa verrataan GNSS-satelliittijärjestelmän (esim. GPS, Galileo) kautta, mittaustuloksen epävarmuus riippuu usein vahvasti vertailumenetelmän epävarmuudesta. Tästä syystä muutaman vuoden aikajänteellä on suunnitteilla taajuusvertailuja, joissa siirrettävä optinen atomikello tulee vierailulle VTT MIKESiin. Näin kellojen vertailu on helpompaa, ja mittaustulokseen vaikuttavat ainoastaan optiset kellot.

Samasta syystä yhä enemmän aikaa ja taajuutta jaetaan satelliittijärjestelmien sijaan valokuitujen avulla atomikelloista käyttäjille. Toistaiseksi MIKESin optinen atomikello on ainoa Pohjoismaissa, mutta tulevaisuudessa valokuituyhteydet maantieteellisesti lähellä oleviin muihin optisiin atomikelloihin mahdollistavat yhä tarkemmat vertailut.

Kuva:Optisen atomikellon ydin on taajuusreferenssinä toimiva yksittäinen laserjäähdytetty Strontium-88-ioni, joka loistaa pienenä sinisenä pisteenä keskellä kahden kartion muodostamaa ioniloukkua. Kartiomaisiin elektrodeihin tuodaan satojen volttien radiotaajuusjännite, jonka avulla ioni pysyy loukussa jopa kuukausia. (Kuvan koko n. 20 mm pystysuunnassa, tyhjä tila elektrodien välissä n. 1 mm). KUVA: VTT / Anders Wallin