การปรับปรุงนาฬิกาอะตอมด้วยการ์ด AWG ในรูปแบบ PXIe
มีการเปรียบเทียบนาฬิกาอะตอมหลายร้อยเรือนทั่วโลกอย่างต่อเนื่อง เพื่อกำหนดเวลาอะตอมสากล (International Atomic Time หรือ TAI) ในประเทศเยอรมนี สถาบัน Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) มีส่วนร่วมพัฒนานาฬิกาอะตอมแบบซีเซียมฟาวน์เทน (Caesium Fountain Clocks) ชั้นนำของโลกสองเรือน อย่างไรก็ตาม การรักษาให้นาฬิกาเหล่านี้ทำงานได้อย่างต่อเนื่องจำเป็นต้องอาศัยเทคโนโลยีขั้นสูง ในการใช้เลเซอร์ลดอุณหภูมิของกลุ่มอะตอมให้เหลือเพียงไม่กี่ไมโครเคลวิน (Microkelvin) และดำเนินการวัดสเปกโทรสโกปีแบบ Ramsey (Ramsey Spectroscopy) การ์ด AWG จากบริษัท Spectrum Instrumentation มีบทบาทสำคัญในการติดตั้งระบบนาฬิกาอะตอมรุ่นล่าสุดนี้ นาฬิกาอะตอมแบบซีเซียมฟาวน์เทนรุ่น CSF1 และ CSF2 ทำหน้าที่ควบคุมมาตรฐานเวลาอ้างอิงระดับชาติ UTC (PTB) และเป็นรากฐานสำหรับบริการด้านเวลาของ PTB รวมถึงเป็นเวลามาตรฐานตามกฎหมายสำหรับทั้งประเทศเยอรมนี
โดยทำหน้าที่ประสานเวลาให้กับทุกสิ่ง ตั้งแต่นาฬิกาและรถไฟ ไปจนถึงการจราจรทางอากาศ การสื่อสาร การแพร่ภาพกระจายเสียง ระบบคอมพิวเตอร์ และอื่นๆ อีกมากมาย นาฬิกาอะตอมแบบซีเซียมฟาวน์เทน เช่น รุ่นที่ใช้งานอยู่ที่ PTB อาศัยคุณสมบัติทางควอนตัมของอะตอมซีเซียม หนึ่งวินาทีถูกนิยามว่าเป็นช่วงเวลาที่เท่ากับคาบการสั่นสะเทือนจำนวน 9,192,631,770 รอบของรังสีที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนระดับพลังงานระหว่างสองระดับพลังงานในสถานะพื้นฐาน (Ground State) ของอะตอมซีเซียม-133 ภายในห้องสุญญากาศ กลุ่มอะตอมที่มีอุณหภูมิต่ำยิ่งยวดจะเคลื่อนที่ผ่านช่องเรโซแนนซ์ไมโครเวฟแบบ Ramsey (Ramsey Microwave Cavity) จำนวนสองครั้ง ก่อนที่จะมีการวัดสถานะสุดท้ายโดยใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีแบบเรืองแสงที่กระตุ้นด้วยเลเซอร์ (Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy)
วิธีการลดอุณหภูมิของอะตอมซีเซียม
ดร. โยฮันเนส ราห์ม จากแผนกเวลาและความถี่ของ PTB อธิบายว่า “ก่อนที่จะเริ่มการวัดค่าได้ จำเป็นต้องมีการเตรียมกลุ่มอะตอมที่มีอุณหภูมิต่ำยิ่งยวด (Ultracold Atoms) ขึ้นมาก่อน กระบวนการนี้ทำได้โดยใช้กับดักแม่เหล็ก-แสง (Magneto-Optical Trap หรือ CSF1) หรือเทคนิค Optical Molasses (CSF2) ในทั้งสองกรณีนี้ จะมีการใช้แสงเลเซอร์ที่จัดวางตำแหน่งในรูปแบบเรขาคณิตเฉพาะ โดยปรับความถี่ของเลเซอร์ให้ต่ำกว่าความถี่ของการเปลี่ยนระดับพลังงาน (Optical Transition) ของซีเซียม-133 เล็กน้อย เนื่องจากอะตอมยังคงมีการเคลื่อนที่จากความร้อนหลงเหลืออยู่แสงเลเซอร์จึงเกิดการเลื่อนความถี่แบบดอปเพลอร์ (Doppler Shift) จนตรงกับความถี่ของการเปลี่ยนระดับพลังงานดังกล่าว และด้วยการดูดกลืนโฟตอนจากเลเซอร์รวมถึงหลักการอนุรักษ์โมเมนตัม ทำให้อะตอมในกลุ่มนั้นเคลื่อนที่ช้าลงและมีอุณหภูมิลดต่ำลงในที่สุด”
รอบการทำงานของนาฬิกาซีเซียมแบบน้ำพุ (Caesium Fountain Clock)
ความแตกต่างของความถี่เพียงเล็กน้อยระหว่างลำแสงเลเซอร์จะผลักกลุ่มอะตอมให้ลอยสูงขึ้น เปรียบเสมือนการโยนลูกบอลขึ้นไปในอากาศ กระบวนการนี้ทำให้เกิดลักษณะคล้าย “น้ำพุ” โดยอะตอมจะเคลื่อนที่ผ่านช่องเรโซแนนซ์แบบแรมซีย์ (Ramsey Cavity) หนึ่งครั้งระหว่างขาขึ้น และอีกครั้งหนึ่งระหว่างขาลงตามแรงโน้มถ่วง หลังจากผ่านช่องแรมซีย์เป็นครั้งที่สอง จะมีการวัดค่าความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนสถานะพลังงาน (Transition Probability) ด้วยเทคนิคฟลูออเรสเซนต์สเปกโทรสโกปี (Fluorescence Spectroscopy) ในระหว่างที่อะตอมเคลื่อนที่ผ่านช่องแรมซีย์แต่ละครั้งจะมีการส่งสัญญาณพัลส์ไมโครเวฟเข้าไป โดยความถี่ของสัญญาณพัลส์นี้จะถูกปรับจูนเพื่อให้ค่าความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนสถานะอยู่ที่ประมาณ 50% ในแต่ละรอบการทำงานของนาฬิกาแบบน้ำพุ ซึ่งประกอบด้วยขั้นตอนการบรรจุอะตอม (Loading) การส่งอะตอมขึ้น (Launching) การตรวจสอบด้วยวิธีแรมซีย์ (Ramsey-Interrogation) การตรวจวัด (Detection) และช่วงการเคลื่อนที่อิสระตามวิถีโค้ง (Ballistic Flight) ระหว่างขั้นตอนต่างๆ นั้น เครื่องจะทำการสลับเครื่องหมาย (บวก/ลบ) ของค่าความเบี่ยงเบนความถี่ไมโครเวฟ (Detuning) เพื่อทำการสุ่มวัดค่าทั้งฝั่งซ้ายและฝั่งขวาของกราฟความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนสถานะที่มีลักษณะสมมาตร จากนั้น ค่าความถี่ของการเปลี่ยนสถานะที่แท้จริงจะคำนวณได้จากค่าเฉลี่ยของความถี่ทั้งสองค่าที่ถูกกำหนดไว้เพื่อให้ได้ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนสถานะที่ระดับ 50% เมื่อการวัดเสร็จสิ้นลงในเวลาประมาณ 1.2 วินาที รอบการทำงานก็จะเริ่มต้นใหม่อีกครั้งและดำเนินไปอย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง
วิวัฒนาการของระบบนาฬิกา
นาฬิกาซีเซียมแบบน้ำพุจำเป็นต้องมีการควบคุมลำแสงเลเซอร์อย่างแม่นยำและระมัดระวัง ในช่วงแรก ระบบนี้ใช้แผงวงจรแอนะล็อกที่ออกแบบขึ้นเฉพาะโดยวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์รุ่นก่อนหน้าของ PTB อย่างไรก็ตาม การดูแลรักษาระบบที่ซับซ้อนเช่นนี้ในระยะยาวทำได้ยากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้น ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่สนับสนุนการทำงานจึงจำเป็นต้องได้รับการพัฒนาให้ทันสมัยขึ้นเช่นเดียวกับตัวการทดลองหลัก ดร. โยฮันเนส จึงได้ศึกษาแนวทางในการเปลี่ยนระบบแอนะล็อกเดิมมาเป็นระบบดิจิทัลแทน ผลจากการวิจัยนำไปสู่การนำการ์ด AWG (Arbitrary Waveform Generator หรือเครื่องกำเนิดรูปคลื่นตามต้องการ) ในรูปแบบ PXIe จากบริษัท Spectrum Instrumentation มาใช้งาน การ์ดเหล่านี้ทำหน้าที่สร้างสัญญาณความถี่วิทยุ (RF) ที่จำเป็นสำหรับการควบคุมความถี่เลเซอร์เพื่อใช้ในขั้นตอนการทำให้อะตอมเย็นตัวลง การส่งอะตอมขึ้น และการตรวจวัดอะตอม โดยทำงานร่วมกับอุปกรณ์ปรับเปลี่ยนสัญญาณแสงด้วยคลื่นเสียง (Acousto-Optic Modulators)
การตอบสนองที่รวดเร็วจากทีมสนับสนุนของ Spectrum
อย่างไรก็ตาม มีความท้าทายเกิดขึ้นในระหว่างขั้นตอนการนำระบบมาใช้งานจริง แม้ว่าการ์ดรุ่น M4x.6622-x4 AWG จะให้ความแม่นยำในระดับที่ดีเยี่ยม แต่ไม่มีโหมดการสร้างสัญญาณใดที่ตอบโจทย์ความต้องการเฉพาะของ PTB ได้ เพื่อให้การออกแบบรอบการทำงานของนาฬิกาอะตอมแบบซีเซียมฟาวน์เทน (Caesium Fountain Clock) เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ เลเซอร์แต่ละตัวจำเป็นต้องใช้ชุดรูปคลื่น (Waveform) ที่กำหนดไว้โดยเฉพาะในช่วงเวลาที่เจาะจงของรอบการทำงาน ดร. โยฮันเนส จึงได้ติดต่อฝ่ายสนับสนุนของ Spectrum Instrumentation ซึ่งดูแลโดยวิศวกรผู้ออกแบบผลิตภัณฑ์โดยตรง ภายในเวลาเพียงสองวัน ทีมวิศวกรซอฟต์แวร์ก็ได้พัฒนาฟีเจอร์ใหม่ที่เรียกว่า “Sequence Restart Mode” ขึ้นมา ผลการทดสอบของ ดร. โยฮันเนส ประสบความสำเร็จด้วยดี และโหมดใหม่นี้ก็ทำงานได้ตรงตามความคาดหมายทุกประการ
ในเวลาต่อมา Spectrum Instrumentation ได้เปิดให้ใช้งาน Sequence Restart Mode เป็นการอัพเกรดฟรีสำหรับอุปกรณ์ AWG ทุกรุ่นในซีรีส์ 65xx และ 66xx โดยสามารถเปิดใช้งานโหมดใหม่นี้ได้อย่างง่ายดายเพียงแค่ติดตั้งไดรเวอร์เวอร์ชั่นล่าสุด
