Molekül ya da atom saati

. Zaman ölçümünde elde edilen duyarlık,periyotları sayılan osilatörün frekansının belirlenmesindeki kararlılığa bağlıdır. En duyarlı frekanslar atom ya da molekülle ilgili olaylarda gözlemlendiğinden, saatlerin duyarlığını artırmak için bunlara başvurmak doğal sayılmalıdır.
Bir atom ya da molekül, rezonans olayı yasalarına göre olanaklı iki kuvantum hali arasında bir geçiş yaptığı zaman, buna atomun yalnızca göz önüne alınan her iki durumdaki W2 ve Wı enerji düzeyleriyle belirlenen, u,2 = (W2- Wğ Ih (h, Planck değişmezi) frekanslı elektromanyetik bir dalganın yayımı ya da soğurulması eşlik eder. Geçiş frekansları genellikle hiperfrekanslar bölgesinde hatta kızıl altında yer aldığından enerji düzeylerinin ve v12 frekansının belirlenme duyarlığı son derece büyük olabilir.

Bir saat yapımında bu frekansın kullanılması sürekli çalışan bir osilatör yapımını gerektirir. Bu da iki şekilde elde edilir. Birinci yöntem bir maser' yapımına dayanır. Genellikle huzme halinde bulunan atomlar aynı fazda kalarak, uyumlu bir biçimde, önceden yer aldıkları W2 üst enerji halinden Wt alt enerji düzeyine geçmeye zorlanır. Bu geçişler sırasında yayımlanan enerji, alışılagelmiş elektronik yöntemlerle algılanan bir elektromanyetik dalga oluşturur. Böylece tipik örneğini hidrojen maşerinin oluşturduğu etkin bir sistem elde edilir.
Daha çok kullanılan bir başka yöntem, genellikle, kuvarslı bir osilatörden çıkan bir işaretle, frekans çoğullamasından sonra bir atom topluluğunu uyarmaya dayanır; burada osilatörün frekansı geçiş frekansına yakındır. Bu dalganın etkisiyle, atomlar enerji soğurarak Wı alt enerji halinden W2 üst enerji haline geçerler. Algılanabilen bu soğurma, uyarma frekansı geçiş frekansına eşit olduğunda çok yüksek bir maksimumdan geçer. Kuvarslı osilatör frekansının az çok bağımlı olduğu bir parametrenin değişimlerine otomatik olarak kumanda etmek için, algılama işareti kullanılırsa osilatörün frekansı sabit olarak tutulabilir. Bu klasik bir geri beslemeli otomatik denetim sorunudur. Günümüzde,piyasaya sürülen atom saatlerinin birçoğunda bu sistem kullanılır.
1955'te yapılan ilk atom saatinde amonyak gazı molekülünün geçiş frekansı kullanıldı. Günümüzde genellikle alkali atomların (sezyum, rubidyum) aşırıince geçişlerinden yararlanılır. Rezonans olayını gözlemlemekte atom huzmesi yöntemi ya da optik pompalama yöntemi kullanılır.

Sezyumun aşırı ince geçişinden yararlanan atom saatinin dakiklik, kararlılığını uzun süre koruma ve farklı koşullarda yinelenebilirlik gibi birçok niteliği olduğu ortaya çıkmıştır. Atom saati bu nitelikleri yüzünden 1967'den bu yana, en eski çağlardan beri gökbilim hareketlerine bağlı olduğu bilinen zaman birimini belirlemek için kullanılmaktadır. Böylece, saniye, “sezyum 133 atomunun temel halinin aşırı ince iki düzeyi arasındaki geçişe denk düşen ışınımın 9 192 631 770 periyotluk süresi" olarak tanımlanmıştır. Sezyum saatinin uzun süreli kararlılığı günümüzde 10-13'ü geçer; bu da saatin 500 yüzyıl çalıştıktan sonra 1 saniyeden daha az ileri gideceğini ya da geri kalacağını gösterir.
Hidrojen maşeriyle çalışan atom saatinin kararlılığı en azından birkaç gün için sezyum saatininkinden 10 kat daha büyüktür.
Atom saatleri uçakların konumlarını büyük bir duyarlılıkla belirlediğinden çarpışma önleyici sistemlerde kullanılır. Bu saatler, Einstein'ın görelilik kuramının kimi yasalarını doğrulama olanağını da sağlamıştır. Günümüzde yapılmakta olan çalışmalar, kızılaltında hatta optik bölgede yer alan atom ve molekül tayf çizgileriyle saat yapma olanağının doğabileceği umudunu vermektedir.