Fizycy z University of Wisconsin-Madison stworzyli jeden z najwydajniejszych zegarów atomowych w historii, ogłosili 16 lutego w czasopiśmie Nature.
Ich instrument, znany jako optyczny sieciowy zegar atomowy, może mierzyć różnice w czasie z dokładnością równoważną utracie zaledwie jednej sekundy na 300 miliardów lat i jest pierwszym przykładem „zmultipleksowanego” zegara optycznego, w którym w układzie może istnieć sześć oddzielnych zegarów. tym samym środowisku. Jego konstrukcja pozwala zespołowi testować sposoby wyszukiwania fal grawitacyjnych, próby wykrywania ciemnej materii i odkrywania nowej fizyki za pomocą zegarów.
„Optyczne zegary siatkowe są już najlepszymi zegarami na świecie, a tutaj otrzymujemy taki poziom wydajności, jakiego nikt wcześniej nie widział” – mówi Shimon Kolkowitz, profesor fizyki UW-Madison i starszy autor badania. „Pracujemy zarówno nad poprawą ich wydajności, jak i rozwojem nowych aplikacji, które są możliwe dzięki tej zwiększonej wydajności”.
Zegary atomowe są tak precyzyjne, ponieważ wykorzystują podstawową właściwość atomów: gdy elektron zmienia poziomy energii, pochłania lub emituje światło z częstotliwością identyczną dla wszystkich atomów danego pierwiastka. Optyczne zegary atomowe mierzą czas za pomocą lasera, który jest precyzyjnie dostrojony do tej częstotliwości i wymagają jednych z najbardziej wyrafinowanych laserów na świecie, aby zachować dokładny czas.
Dla porównania, grupa Kolkowitza ma „stosunkowo kiepski laser”, mówi, więc wiedzieli, że żaden zegar, który zbudowali, nie byłby sam w sobie najdokładniejszy i najdokładniejszy. Wiedzieli jednak również, że wiele dalszych zastosowań zegarów optycznych będzie wymagało przenośnych, dostępnych na rynku laserów, takich jak ich. Zaprojektowanie zegara, który mógłby używać przeciętnych laserów, byłoby dobrodziejstwem.
W swoich nowych badaniach stworzyli zegar multipleksowy, w którym atomy strontu można rozdzielić na wiele zegarów ustawionych liniowo w tej samej komorze próżniowej. Używając tylko jednego zegara atomowego, zespół odkrył, że ich laser był w stanie niezawodnie wzbudzać elektrony w tej samej liczbie atomów tylko przez jedną dziesiątą sekundy.
Kiedy jednak skierowali laserem jednocześnie na dwa zegary w komorze i porównali je, liczba atomów z wzbudzonymi elektronami pozostawała taka sama między dwoma zegarami do 26 sekund. Ich wyniki oznaczały, że mogli przeprowadzać znaczące eksperymenty znacznie dłużej, niż pozwalałby na to ich laser w normalnym zegarze optycznym.
„Normalnie nasz laser ograniczałby wydajność tych zegarów” – mówi Kolkowitz. „Ale ponieważ zegary znajdują się w tym samym środowisku i doświadczają dokładnie tego samego światła laserowego, efekt lasera całkowicie zanika”.
Następnie grupa zapytała, jak dokładnie mogą zmierzyć różnice między zegarami. Dwie grupy atomów, które znajdują się w nieco różnych środowiskach, będą tykać z nieco różnymi szybkościami, w zależności od grawitacji, pól magnetycznych lub innych warunków.
Przeprowadzili swój eksperyment ponad tysiąc razy, mierząc różnicę w częstotliwości tykania swoich dwóch zegarów w sumie przez około trzy godziny. Zgodnie z oczekiwaniami, ponieważ zegary znajdowały się w dwóch nieco różnych miejscach, tykanie było nieco inne. Zespół wykazał, że w miarę wykonywania coraz większej liczby pomiarów byli w stanie lepiej zmierzyć te różnice.
Ostatecznie naukowcy byli w stanie wykryć różnicę w tempie tykania między dwoma zegarami, które odpowiadałyby temu, że nie zgadzają się ze sobą o zaledwie jedną sekundę na 300 miliardów lat – pomiar precyzyjnego pomiaru czasu, który ustanawia światowy rekord dla dwóch oddzielonych przestrzennie zegarów.
Byłby to również światowy rekord pod względem najdokładniejszej różnicy częstotliwości, gdyby nie inny artykuł, opublikowany w tym samym numerze Nature. Badanie to było prowadzone przez grupę z JILA, instytutu badawczego w Kolorado. Grupa JILA wykryła różnicę częstotliwości między górną i dolną częścią rozproszonej chmury atomów około 10 razy lepiej niż grupa UW-Madison.
Ich wyniki, uzyskane w odległości jednego milimetra, reprezentują również najkrótszą dotychczas odległość, na której ogólna teoria względności Einsteina była testowana z zegarami. Grupa Kolkowitza spodziewa się wkrótce przeprowadzić podobny test.
„Zdumiewające jest to, że wykazaliśmy podobną wydajność jak grupa JILA, mimo że używamy lasera o rzędy wielkości gorszego”, mówi Kolkowitz. „To naprawdę ważne w wielu rzeczywistych zastosowaniach, w których nasz laser znacznie bardziej przypomina to, co można zabrać w teren”.
Aby zademonstrować potencjalne zastosowania ich zegarów, zespół Kolkowitza porównał zmiany częstotliwości między każdą parą sześciu zmultipleksowanych zegarów w pętli. Odkryli, że różnice sumują się do zera po powrocie do pierwszego zegara w pętli, potwierdzając spójność ich pomiarów i stwarzając możliwość wykrycia niewielkich zmian częstotliwości w tej sieci.
„Wyobraź sobie, że chmura ciemnej materii przechodzi przez sieć zegarów – czy są sposoby, aby zobaczyć tę ciemną materię w tych porównaniach?” – pyta Kolkowitz. „To eksperyment, który możemy teraz przeprowadzić, a którego nie można było przeprowadzić w żadnym poprzednim systemie eksperymentalnym”.
Praca ta była częściowo wspierana przez program NIST Precision Measurements Grants, Northwestern University Center for Fundamental Physics oraz John Templeton Foundation poprzez grant Fundamental Physics, Wisconsin Alumni Research Foundation, Army Research Office (W911NF-21-1-0012 ) oraz stypendium Packard dla nauki i inżynierii.