Atom soatlari (molekulyar, kvant soatlari) — vaqtni o‘lchash uchun mo‘ljallangan asbob bo‘lib, unda davriy jarayon sifatida atomlar yoki molekulalar darajasida kechadigan jarayonlar bilan bog‘liq xususiy tebranishlardan foydalaniladi.

Atom soatlari navigatsiyada muhim ahamiyatga ega. Kosmik kemalar, sun’iy yo‘ldoshlar, ballistik raketalar, samolyotlar va suvosti kemalarining joylashuvini aniqlash, shuningdek, avtomobillarning sun’iy yo‘ldosh aloqasi (GPS, GLONASS, Galileo) yordamida avtomatik harakatlanishi atom soatlarisiz mumkin emas. Atom soatlari sun’iy yo‘ldosh va yer usti telekommunikatsiya tizimlarida, jumladan, mobil aloqaning tayanch stansiyalarida, xalqaro hamda milliy standartlar byurolarida va aniq vaqt xizmatlarida ham qo‘llanadi. Bu xizmatlar vaqti-vaqti bilan radio orqali vaqt signallarini uzatadi.

1967-yildan boshlab Xalqaro birliklar tizimi SI bir soniyani 9 192 631 770 ta davrning davomiyligiga teng deb belgilaydi. Bu davrlar elektromagnit nurlanishga tegishli bo‘lib, u atomning asosiy holatidagi ikki o‘ta nozik sath orasidagi o‘tishda hosil bo‘ladi. Bu atom — seziy-133. Mazkur ta’rifga ko‘ra, seziy-133 atomi vaqt va chastotani o‘lchash uchun etalon hisoblanadi. Soniyaning qanchalik aniq belgilanishi ta’rifida soniya qatnashadigan boshqa asosiy birliklar, masalan, volt yoki metrning aniqligini ham belgilaydi.

Atom soatlarining barqarorligi ${\displaystyle \mathrm{\Delta }\nu /\nu }$ (bu yerda ${\displaystyle \mathrm{\Delta }\nu }$ — ${\displaystyle \nu }$ soat chastotasining muayyan vaqt oralig‘idagi og‘ishi) odatda 10⁻¹⁴—10⁻¹⁵, maxsus konstruksiyalarda esa 10⁻¹⁷ qiymatiga yetadi va mavjud soat turlari orasida eng yuqori barqarorlikni ta’minlaydi.

Vodorod atomlarining tebranishlaridan vaqtni o‘lchashda foydalanish g‘oyasini 1879-yildayoq ingliz fizigi lord Kelvin ilgari surgan, biroq bu g‘oyani amalda qo‘llash faqat XX asr o‘rtalariga kelib mumkin bo‘ldi. 1949-yilda AQSH Milliy standartlar byurosida Garold Layons ishtirokida ammiak molekulalaridan foydalanadigan soatlar yaratildi. Biroq ular zamonaviy atom soatlaridek aniq emas edi, chunki ammiak molekulalari o‘zaro hamda modda saqlanadigan idish devorlari bilan ta’sirlashib, molekulalarning energiyasini o‘zgartirardi va ularning spektral chiziqlari kengayardi. Faqat 1955-yilda Lui Essen (Buyuk Britaniya Milliy fizika laboratoriyasi xodimi) seziy-133 asosidagi dastlabki atom soatlarini taqdim etdi; bu soatlar million yil davomida atigi bir soniyalik xato to‘plardi.

Soat bir necha qismdan iborat:

• kvant diskriminatori,
• kvars generatori,
• elektron qurilmalar majmuasi.

Kvars generatori — rezonans elementi sifatida kvars kristalining pyezoelektrik tebranish modalaridan foydalanadigan avtogeneratordir. U hosil qiladigan elektromagnit tebranishlar odatda 10 MGts, 5 MGts yoki 2,5 MGts ga teng qat’iy chastotaga ega bo‘lib, uni kichik chegaralarda (±10⁻⁶, masalan, kristall haroratini o‘zgartirish orqali) sozlash mumkin. Odatda kvars rezonatorining uzoq muddatli barqarorligi past bo‘lib, taxminan ${\displaystyle \mathrm{\Delta }\nu /\nu =10^{-7}}$ qiymatga teng. Uni barqarorroq qilish uchun atom yoki molekulalar tebranishidan foydalaniladi: buning uchun kvars generatorining ${\displaystyle {\nu }_o}$ chastotali tebranishlari chastota-faza komparatori yordamida atom spektral chizig‘ining ${\displaystyle {\nu }_a}$ chastotasi bilan muntazam solishtiriladi. Bu chastota kvant diskriminatorida qayd etiladi. Tebranishlar fazasi va chastotasi o‘rtasida farq paydo bo‘lganda, teskari aloqa sxemasi kvars generatori chastotasini kerakli qiymatga moslaydi va shu tariqa soatning barqarorligi hamda aniqligini quyidagi darajagacha oshiradi: ${\displaystyle \mathrm{\Delta }\nu /\nu =10^{-14}}$.

SSSRda atom soatlarini yaratish g‘oyasining asosiy targ‘ibotchisi akademik Nikolay Gennadyevich Basov.

Ko‘plab mamlakatlarda vaqt va chastota etalonlari bo‘yicha milliy markazlar tashkil etilgan:

• Butunrossiya fizik-texnik va radiotexnik o‘lchashlar ilmiy-tadqiqot instituti (VNIIFTRI), Mendeleyevo posyolkasi, Moskva viloyati;
• Milliy standartlar va texnologiyalar instituti (NIST), Boulder (AQSH, Kolorado);
• Ilg‘or sanoat fani va texnologiyalari milliy instituti^[ingl.] (AIST), Tokio (Yaponiya);
• Federal fizika-texnika agentligi^[nem.] (PTB), Braunshveyg (Germaniya);
• Milliy metrologiya va sinov laboratoriyasi^[frans.] (LNE), Parij (Fransiya).
• Buyuk Britaniya Milliy fizika laboratoriyasi (NPL), London, Buyuk Britaniya.

Turli mamlakatlar olimlari atom soatlarini va ularga asoslangan davlat birlamchi vaqt hamda chastota etalonlarini takomillashtirish ustida ishlamoqda. Bunday soatlarning aniqligi muntazam oshib bormoqda. Rossiyada atom soatlari xususiyatlarini yaxshilashga qaratilgan keng ko‘lamli tadqiqotlar Lebedev nomidagi Fizika institutida olib boriladi.

Har qanday atom (yoki molekula) atom soati uchun diskriminator vazifasini bajara olmaydi. Magnit, elektr va elektromagnit maydonlar singari tashqi ta’sirlarga sezgirligi past bo‘lgan atomlar tanlanadi. Elektromagnit nurlanish spektrining har bir diapazonida shunday atomlar mavjud. Bularga kalsiy, rubidiy, seziy, stronsiy atomlari, shuningdek, vodorod, yod, metan, osmiy(VIII) oksidi molekulalari va boshqalar kiradi^{[manba 1212 kundan beri ko‘rsatilmagan]} Asosiy (birlamchi) chastota etaloni sifatida seziy atomining o‘ta nozik o‘tishi tanlangan. Qolgan barcha (ikkilamchi) etalonlarning xususiyatlari shu etalon bilan taqqoslanadi. Bunday taqqoslash uchun hozirda optik chastota taroqlari^[ingl.] deb ataladigan, keng chastota spektriga ega va teng masofali chiziqlardan iborat nurlanishdan foydalaniladi; bu chiziqlar orasidagi masofa atom chastota etaloniga bog‘lanadi^{[manba 1212 kundan beri ko‘rsatilmagan]}. Optik chastota taroqlari femtosekundli lazer va modalarni sinxronlash hamda mikrotuzilmali optik tolalar yordamida olinadi; ularda spektr bir oktavagacha kengayadi^{[manba 1212 kundan beri ko‘rsatilmagan]}.

2006-yilda AQSHdagi Milliy standartlar va texnologiyalar instituti tadqiqotchilari Jim Bergkvist (ingl. Jim Bergquist) rahbarligida bitta simob atomiga asoslangan soatni yaratdilar. simob ionining energetik sathlari orasidagi o‘tishda ko‘rinadigan spektrdagi fotonlar hosil bo‘ladi. Ularning barqarorligi 5 baravar yuqori — seziy-133 ning mikroto‘lqinli nurlanishiga nisbatan. Yangi soatlardan vaqt o‘tishi bilan fundamental fizik doimiylarning o‘zgarishini o‘rganishda ham foydalanish mumkin. 2015-yil aprel holatiga ko‘ra, eng aniq atom soatlari AQSH Milliy standartlar va texnologiyalar institutida yaratilgan soatlar edi^{[aniqlashtirish kerak]}; ularning xatosi 15 milliard yilda atigi bir soniyani tashkil etgan. Bunday soatlardan foydalanishning mumkin bo‘lgan yo‘nalishlaridan biri relyativistik geodeziyadir. Uning asosiy g‘oyasi soatlar tarmog‘ini gravitatsion datchiklar sifatida ishlatishdan iborat bo‘lib, bu Yer shaklini nihoyatda batafsil uch o‘lchamda o‘lchash imkonini beradi.

2006-yilda yangi avlod atom soatlarida^{[aniqlashtirish kerak]} kelajakda stronsiy atomlaridan foydalanilishi xabar qilingan.

Kundalik hayotda (qo‘l soatlari, mobil qurilmalar) qo‘llash uchun ixcham atom soatlari faol ishlab chiqilmoqda. 2011-yil boshida Amerikaning «Symmetricom» kompaniyasi kichik mikrosxema o‘lchamidagi seziy atom soatlarini tijorat asosida ishlab chiqarishini e’lon qildi; soatlar kogerent populyatsiya qamalishi effektiga asoslanadi; ularning barqarorligi — 5 · 10^-11, massasi — 35 g, iste’mol quvvati — 120 mVt.

XXVII O‘lchovlar va tarozilar bosh konferensiyasida Fransiyada (2022-yil) 2030-yilgacha soniyaning yangi ta’rifini ishlab chiqish to‘g‘risida qaror qabul qilindi. Hozir ko‘plab laboratoriyalarda stronsiy yoki itterbiy atomlariga asoslangan soatlar o‘rganilmoqda; ular spektrning ko‘rinadigan qismidagi fotonlarni chiqarishi yoki yutishi mumkin. Shuningdek, rubidiy, alyuminiy va simob bilan ham ish olib borilmoqda. Masalan, Rossiyadagi FIANda tuliy ustida tadqiqotlar olib borilmoqda. Shu bilan birga, rossiyalik fiziklar butunlay boshqa tamoyilga asoslangan sxemani — elektronlarning emas, balki izomerlarning (yadroning metastabil holatlari; bunda bir yoki bir nechta nuklon — proton yoxud neytron — yuqoriroq yoki pastroq energetik sathni egallaydi) o‘tishlaridan foydalanadigan yadro soatlarini o‘rganmoqda. Yadro soatlari eng yaxshi zamonaviy optik atom soatlaridan bir tartibga aniqroq bo‘lishi va 10^-19 darajasiga yaqinlashishi kutilmoqda. Xitoyda 2026-yilgacha optik soatlar^[ingl.] suyuq azot bilan sovitiladigan kalsiy ionlari asosida ishlab chiqildi; ularning tizimli xatoligi 4,4⋅10⁻¹⁹.

• NISTning chip o‘lchamidagi atom soatlari loyihasi . Arxivlangan 2012-yil 9-fevralda.
• Simobli atom soatlarida vaqt o‘lchash aniqligining yangi rekordi o‘rnatildi . Polit.ru (2006-yil 25-iyul). Murojaat sanasi: 2010-yil 13-dekabr. Arxivlangan 2012-yil 9-fevralda.
• Nina Biryuchkova. O‘ta aniq atom soatlari // craftster.ru, 2014-yil 14-aprel

• Richard Alleyn. Dunyodagi eng aniq soat taqdim etildi (ingl.). The Daily Telegraph (2009-yil 16-aprel). Murojaat sanasi: 2010-yil 13-dekabr. Arxivlangan 2012-yil 9-fevralda.
• NISTda atom soatlarining qisqacha tarixi (A Brief History of Atomic Clocks at NIST) (ingl.). AQSH Milliy standartlar va texnologiyalar instituti. Murojaat sanasi: 2012-yil 26-fevral. Arxivlangan 2012-yil 24-mayda.