Erloju atomiko

[thumb|250px|NIST-7 zesiozko erloju atomikoa, 1990eko hamarkadan [Ameriketako Estatu Batuak|Ameriketako Estatu Batuetako erreferentziazko erlojua izan zena.]]
**Erloju atomikoa** bere kontagailua martxan mantentzeko eta denbora muturreko zehaztasunez neurtzeko erresonantzia atomiko arrunteko frekuentzia erabiltzen duen erloju mota bat da. Funtsean, erloju mekaniko tradizionalek pendulu baten kulunka edo erloju elektronikoek kuarzozko kristal baten bibrazioa erabiltzen duten bezala, erloju atomikoek atomoen barneko elektroien trantsizio kuantikoak erabiltzen dituzte denbora-neurgailu gisa.

Gaur egun ezagutzen diren denbora- eta frekuentzia-erreferentziarik zehatzenak dira. Horregatik, ezinbestekoak dira nazioarteko denbora-banaketan, nabigazio-sistemetan (GPS edo Galileo bezalako sistemetan), telekomunikazio-sare globalen sinkronizazioan eta zehaztasun handiko ikerketa zientifikoetan. Lehenbiziko erloju atomikoek erreferentziatzat maser bat izan ohi zuten. Gaur egungo frekuentzia atomikoko erreferentzia onenak fisika aurreratuagoetan oinarritzen dira, non atomo hotzak eta iturri atomikoek parte hartzen duten. Nazio-agentzia araugileek 10⁻⁹ segundo inguruko (miliardaren bat segundo) zehaztasuna mantendu ohi dute egunero.

## Historia eta eboluzioa 
Denbora neurtzeko atomoen bibrazioak erabiltzeko ideia William Thomson (Lord Kelvin) fisikariak iradoki zuen lehen aldiz 1879. urtean. Hala ere, ideia hori praktikan jartzeko, mekanika kuantikoaren garapena eta erresonantzia magnetikoaren aurkikuntza itxaron behar izan ziren. 1930eko hamarkadan, Isidor Isaac Rabi fisikariak erresonantzia magnetiko nuklearraren teknika garatu zuen (1944an Fisikako Nobel Saria ekarriko ziona), eta 1945ean erloju atomiko bat eraikitzeko oinarri teorikoak ezarri zituen.

Hizkera arruntaren eta herri-kulturaren arabera, lehenbiziko erloju atomikoa sarritan 1949ko Willard Libby estatubatuar kimikariaren ikerketekin (karbono-14aren bidezko datazioa asmatu zuena) nahastu ohi da. Berez, historiako lehenbiziko erloju atomiko erreala 1949an bertan eraiki zen Ameriketako Estatu Batuetako Estandarren Agentzia Nazionalean (NBS, gaur egungo NIST), Harold Lyons fisikariaren gidaritzapean. Erloju horrek amoniako molekulen erresonantzia erabiltzen zuen, baina ez zen kuarzozko erloju onenak baino askoz zehatzagoa.

[thumb|250px|Historiako lehen zesiozko erloju atomiko zehatza (Mk. 1), [Louis Essenek 1955ean eraikia. Londresko Zientzia Museoan ikusgai.]]

Benetako iraultza 1955ean iritsi zen, Erresuma Batuko Laborategi Fisiko Nazionalean (NPL). Bertan, Louis Essen eta Jack Parry zientzialariek historiako lehen erloju atomiko zehatza eraiki zuten, zesio-133 atomoaren trantsizioan oinarrituta. Tresna honek 300 urtetan segundo bakarreko errorea zuen, garaiko edozein erloju astronomiko baino zehatzagoa izanik. Aurrerapen hauen ondorioz, 1967ko Pisu eta Neurrien Batzar Orokorrak (Nazioarteko Unitate Sistemaren arduradunak) "segundo" unitatearen definizio ofiziala aldatu zuen. Ordura arte Lurraren errotazioan oinarritzen zen (definizio astronomikoa), baina 1967tik aurrera honela definitzen da ofizialki: *"Segundo bat da zesio-133 atomoaren oinarrizko egoeraren bi maila hiperfinen arteko trantsizioari dagokion erradiazioaren 9.192.631.770 periodoren iraupena"*.

## Funtzionamenduaren oinarri fisikoak 
thumb|250px|Zesiozko erloju atomiko komertzial baten oinarrizko bloke-diagrama eta seinale-fluxua, kuarzozko osziladorearen eta izpi atomikoaren arteko erlazioa erakutsiz.
Erloju atomiko baten funtzionamendua egitura kuantikoan oinarritzen da. Atomo baten inguruan orbitatzen duten elektroiek energia-maila oso zehatzak dituzte. Elektroi batek energia-maila baxuago batetik maila altuago batera jauzi egiteko (trantsizioa), energia kantitate zehatz bat xurgatu behar du fotoi baten bidez. Era berean, maila altutik baxura itzultzean, fotoi bat askatzen du. Energia hori (\Delta E) erradiazio elektromagnetikoaren frekuentziarekin (\nu) zuzenki lotuta dago, Max Plancken ekuazio ezagunaren bidez:

\Delta E = h \cdot \nu

Non h Planck-en konstantea den. Zesio-133 atomoaren kasuan, nukleoaren eta kanpoko elektroiaren spinen elkarrekintza magnetikoak (estruktura hiperfina) bi energia-maila oso gertu sortzen ditu. Maila batetik bestera pasatzeko behar den mikrouhin-erradiazioaren frekuentzia zehazki 9.192.631.770 Hz da. 

Praktikan, erloju atomiko batek atzeraelikadura-begizta bat erabiltzen du:
# Kuarzozko osziladore elektroniko batek mikrouhinak sortzen ditu (9,19 GHz inguruan).
# Mikrouhin horiek zesio atomoen izpi batera bideratzen dira huts-ganbera batean.
# Mikrouhinen frekuentzia guztiz zehatza bada (atomoaren trantsizio-frekuentziarekin bat badator), atomo gehienek egoera aldatuko dute. Frekuentzia apur bat desbideratzen bada, atomo gutxiagok aldatuko dute egoera.
# Sentsore batek zenbat atomok aldatu duten egoera neurtzen du, eta informazio hori kuarzozko osziladorera bidaltzen du seinale elektriko gisa, frekuentzia uneoro zuzenduz eta perfektu mantenduz.

## Erloju atomiko mota nagusiak 
Atomo ezberdinek eta makinen diseinu ezberdinek propietate desberdinak ematen dizkiete erlojuei. Mota erabilienak hauek dira:

### Zesiozko erlojuak 
Fisikaren urre-estandarra dira, segundoaren definizioa zesioan oinarritzen delako. Jatorrizko diseinuek atomoen izpi bat erabiltzen zuten laborategiko tutu batetik zehar bidaiatzeko (adibidez, irudiko HP 5061A bezalako makina komertzialak). Geroago, teknologia iturri atomikoetara (*atomic fountain*) aldatu zen.

[thumb|250px|NIST-F1 erloju atomikoa, iturri atomikoko teknologian oinarritua. Atomoak [laser bidez hozten ditu zehaztasuna handitzeko.]]
Iturri atomikoko erlojuetan (adibidez, AEBetako NIST-F1 erlojua edo Parisko SYRTE erlojua), zesio atomoen hodei bat laser bidez hozten da zero absolututik oso gertuko tenperaturaraino (mikrokelvin batzuetara). Hozte honek atomoen mugimendu termikoa geldiarazten du. Ondoren, laserrek atomoak gorantz bultzatzen dituzte (iturri bateko ura bezala), eta grabitatearen eraginez erortzen uzten dira mikrouhin-barrunbe batean zehar. Atomoak hain motel mugitzen direnez, mikrouhinek denbora gehiago daukate atomoekin elkarrekiteko, eta horrek erlojuaren zehaztasuna izugarri hobetzen du (100 milioi urtetan segundo bakarreko errorea).

### Rubidiozko erlojuak 
thumb|250px|Rubidiozko erloju atomiko miniaturizatua (eskuinaldean goian, urre kolorekoa), zirkuitu inprimatu baten barnean integratua.
Zesiozkoak baino merkeagoak, txikiagoak eta askoz sinpleagoak dira fabrikatzeko, baina apur bat ezegonkorragoak epe luzean. Erloju hauek Rubidio-87 atomoaren gas-zelula bat erabiltzen dute. Eramangarritasun handia dutenez, oso erabiliak dira hegazkinetan, satelite komertzialetan eta telekomunikazio zentroetako erreferentzia gisa. Gaur egun, aurrerapen mikroteknologikoei esker, txip tamainako rubidio erlojuak (CSAC) sortu dira, telefono mugikorren edo dronen osagai elektronikoetan zuzenean integratzeko modukoak.

### Hidrogeno maserrak 
thumb|250px|Galileo satelite-sisteman erabiltzen den hidrogeno maser pasiboa. Zehaztasun izugarria behar da hiru dimentsiotako kokapena kalkulatzeko.
Maser bat (*Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation*) laser baten baliokidea da, baina mikrouhin-frekuentzian. Hidrogeno maserretan, hidrogeno gasa ganbera baten barruan kitzikatzen da erradiazio koherentea modu jarraituan askatzeko (1,4 GHz inguruan). Funtzionamendu honek epe laburreko eta ertaineko egonkortasun ikaragarria ematen dio erlojuari (zesiozkoak baino hobea egun gutxi batzuetako tarteetan). Hori dela eta, ezinbestekoak dira satelite bidezko nabigazioan eta irrati-astronomian.

### Erloju optikoak (Etorkizuna) 
Belaunaldi berriko erlojuak dira. Mikrouhinen trantsizioak erabili beharrean (9 GHz), atomoen trantsizio optikoak erabiltzen dituzte, argi ikusgaiaren edo infragorriaren espektroan (ehunka THz-ko frekuentzietan). Zenbat eta frekuentzia handiagoa izan, orduan eta zati txikiagoetan bana daiteke segundoa, zehaztasuna handituz.
Estrontzioa, iterbioa edo aluminio-ioiak erabiltzen dituzte. Erloju hauek hain dira zehatzak, non unibertsoaren hasieratik (duela 13.800 milioi urte) martxan egon balira, gaur egun ez zuketen segundo erdi bat bera ere galduko. Datozen urteetan segundoaren birdefinizioa ekarriko dutela espero da.

## Aplikazio praktikoak eta zientifikoak 
Erloju atomikorik gabe, teknologia modernoaren zutabe asko erori egingo lirateke, haien funtzionamendua erabateko zehaztasunaren menpe baitago.

* **Satelite bidezko nabigazioa (GNSS):** GPS (AEB), Galileo (Europa), GLONASS (Errusia) eta Beidou (Txina) sistemen oinarria dira. Satelite bakoitzak bizpahiru erloju atomiko daramatza barnean. Gure telefono mugikorreko GPS hargailuak satelite horietatik datozen seinaleen iritsiera-denboraren atzerapena neurtzen du (argiaren abiaduran bidaiatzen dutenak). Denboraren neurketan mikrosegegundo bateko (milioireneko bateko) erroreak, lurreko posizioan 300 metroko errorea eragingo luke.
* **Telekomunikazioak eta Internet:** Sare digital modernoek (zuntz optikoak, 5G telefonia) sareko nodo guztien sinkronizazio absolutu eta perfektua behar dute datu-paketeak galdu gabe transmititzeko. Pakete horien abiadura hain da handia, non igorleak eta hartzaileak nanosegundoko zehaztasunarekin sinkronizatu behar duten.
* **Astronomia eta espazio-esplorazioa:** Espazio sakonera bidalitako zundek (hala nola Voyager 1 edo Marteko roberrek) erloju atomikoekin sinkronizatu behar dute lurreko antenekin komunikatu ahal izateko. Horrez gain, Irrati-interferometria (VLBI) deritzon teknikan, mundu osoko teleskopioek aldi berean neurtzen dute seinale bera erloju atomikoekin sinkronizatuta, lurreko teleskopio erraldoi bakarra bailitzan (horrela lortu zen zulo beltz baten lehen argazkia).
[thumb|250px|[Beidou nabigazio-sisteman erabiltzen den hidrogeno maser erloju atomikoa. Txinako Teknologia Museoan erakusgai.]]
* **Erlatibitatearen teoriaren probak:** Albert Einsteinen erlatibitate bereziak eta orokorrak iragartzen dute denbora motelago pasatzen dela abiadura handian mugitzen diren objektuentzat eta grabitate-eremu indartsuagoetan daudenentzat. 1971n, Hafele eta Keating fisikariak lau zesiozko erloju atomiko jarri zituzten hegazkin komertzialetan eta munduari buelta eman zioten (batzuk ekialderantz, besteak mendebalderantz). Lurrera itzultzean, Lurrean zegoen erreferentziazko erlojuarekin alderatu zituzten, eta Einsteinen formulak nanosegundoko zehaztasunarekin asmatu zuela frogatu zuten.

## Denbora estandar internazionalak 
Munduko ordu ofiziala ez du erloju bakar batek erabakitzen. Mundu osoan sakabanatuta dauden 400 erloju atomiko baino gehiagoren (hainbat herrialdetako institutu metrologikoetan kokatutakoak) bataz besteko ponderatua egiten da. Datu horiek Parisen dagoen Pisu eta Neurrien Nazioarteko Bulegora (BIPM) bidaltzen dira, eta horrek zehazten du **Nazioarteko Denbora Atomikoa** (TAI).

Hala ere, gizarteak ez du TAI denbora erabiltzen zuzenean bere egunerokotasunean, baizik eta **Denbora Unibertsal Koordinatua** (UTC). TAI eta UTCren arteko ezberdintasuna segundo batzuetakoa da. Arazoa da erloju atomikoak guztiz konstanteak direla, baina Lurraren errotazioa (egunaren iraupena) poliki-poliki moteltzen ari dela marruskadura ozeanikoaren eta eragin grabitazionalen ondorioz. Beraz, erloju atomikoen eta eguzki-orduaren arteko desfasea ekiditeko, noizean behin "segundo gehigarri" bat (*leap second*) sartzen da UTC sisteman, gure erlojuak beti eguzkiaren posizioarekin sinkronizatuta egon daitezen.

## Ikus, gainera 
* Denbora
* Kuarzozko erloju
* Nazioarteko Denbora Atomikoa
* Denbora Unibertsal Koordinatua
* GPS
* Mekanika kuantiko
* Erlatibitatearen teoria
* Isidor Isaac Rabi

## Erreferentziak 
## Kanpo estekak 
thumb|250px|NIST erakundeak garatutako rubidiozko erloju atomiko txipa (CSAC), kafe-ale baten tamainakoa. Miniaturizazioak aukera berriak zabaldu ditu elektronikan.
*  NIST (National Institute of Standards and Technology) - Denbora eta Frekuentzia Saila
*  Nazioarteko Pisu eta Neurrien Bulegoa (BIPM)
*  Real Instituto y Observatorio de la Armada (Espainiako ordu ofizialaren mantentzailea)