JILA-fysici hebben een geheel nieuw ontwerp gemaakt voor een atoomklok, waarin strontiumatomen zijn verpakt in een kleine driedimensionale (3D) kubus op 1, 000 keer de dichtheid van eerdere eendimensionale (1-D) klokken. Daarbij, zij zijn de eersten die het ultragecontroleerde gedrag van een zogenaamd "kwantumgas" gebruiken om een ​​praktisch meetinstrument te maken.

Met zoveel atomen volledig geïmmobiliseerd op hun plaats, JILA's kubieke kwantumgasklok vestigt een record voor een waarde die "kwaliteitsfactor" wordt genoemd en de resulterende meetnauwkeurigheid. Een grote kwaliteitsfactor vertaalt zich in een hoog niveau van synchronisatie tussen de atomen en de lasers die worden gebruikt om ze te onderzoeken, en maakt de "tikken" van de klok ongewoon lang puur en stabiel, waardoor een hogere precisie wordt bereikt.

Tot nu, elk van de duizenden "tikkende" atomen in geavanceerde klokken gedragen zich en worden grotendeels onafhankelijk gemeten. In tegenstelling tot, de nieuwe kubische kwantumgasklok gebruikt een wereldwijd op elkaar inwerkende verzameling atomen om botsingen te beperken en metingen te verbeteren. De nieuwe aanpak belooft een tijdperk in te luiden van drastisch verbeterde metingen en technologieën op veel gebieden op basis van gecontroleerde kwantumsystemen.

De nieuwe klok wordt beschreven in het 6 oktober nummer van Wetenschap .

"We gaan een heel opwindende tijd in waarin we een toestand van materie voor een bepaald meetdoel kunnen kwantumengineeren, " zei natuurkundige Jun Ye van het National Institute of Standards and Technology (NIST). Ye werkt bij JILA, die gezamenlijk wordt beheerd door NIST en de Universiteit van Colorado Boulder.

Het middelpunt van de klok is een ongewone toestand van materie, een gedegenereerd Fermi-gas (een kwantumgas voor Fermi-deeltjes), voor het eerst gemaakt in 1999 door Ye's overleden collega Deborah Jin. Alle eerdere atoomklokken hebben thermische gassen gebruikt. Het gebruik van een kwantumgas maakt het mogelijk om alle eigenschappen van de atomen te kwantificeren, of beperkt tot specifieke waarden, Voor de eerste keer.

"Het belangrijkste potentieel van de 3D-kwantumgasklok is het vermogen om de atoomaantallen op te schalen, wat zal leiden tot een enorme winst in stabiliteit, "Je zei. "Ook, we zouden de ideale toestand kunnen bereiken om de klok te laten lopen met zijn volledige coherentietijd, die verwijst naar hoe lang een reeks teken stabiel kan blijven. De mogelijkheid om zowel het atoomnummer als de coherentietijd op te schalen, zal deze nieuwe generatie klok kwalitatief anders maken dan de vorige generatie."

Tot nu, atoomklokken hebben elk atoom als een afzonderlijk kwantumdeeltje behandeld, en interacties tussen de atomen leverden meetproblemen op. Maar een geconstrueerde en gecontroleerde verzameling, een "quantum veellichamensysteem, " rangschikt al zijn atomen in een bepaald patroon, of correlatie, om de laagste algemene energietoestand te creëren. De atomen mijden dan elkaar, ongeacht hoeveel atomen er aan de klok worden toegevoegd. Het gas van atomen verandert zichzelf effectief in een isolator, die interacties tussen componenten blokkeert.

Het resultaat is een atoomklok die alle voorgangers kan overtreffen. Bijvoorbeeld, stabiliteit kan worden gezien als hoe precies de duur van elke tick overeenkomt met elke andere tick, die direct gekoppeld is aan de meetnauwkeurigheid van de klok. Vergeleken met Ye's vorige 1-D klokken, de nieuwe 3D-kwantumgasklok kan door het grote aantal atomen en langere coherentietijden meer dan 20 keer sneller hetzelfde precisieniveau bereiken.

De experimentele gegevens laten zien dat de 3D-kwantumgasklok in ongeveer 2 uur een precisie van slechts 3,5 delen fout in 10 quintiljoen (1 gevolgd door 19 nullen) bereikte, waardoor het de eerste atoomklok is die ooit die drempel heeft bereikt (19 nullen). "Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van eerdere demonstraties, " zei je.

De oudere, 1D-versie van de JILA-klok was, tot nu, 's werelds meest nauwkeurige klok. Deze klok houdt strontiumatomen vast in een lineaire reeks van pannenkoekvormige vallen gevormd door laserstralen, optisch rooster genoemd. De nieuwe 3D-kwantumgasklok gebruikt extra lasers om atomen langs drie assen te vangen, zodat de atomen in een kubische opstelling worden gehouden. Deze klok kan bijna 10 seconden stabiel tikken met 10, 000 strontiumatomen gevangen met een dichtheid van meer dan 10 biljoen atomen per kubieke centimeter. In de toekomst, de klok kan mogelijk meer dan 100 seconden per keer miljoenen atomen onderzoeken.

Optische roosterklokken, ondanks hun hoge prestatieniveaus in 1-D, te maken hebben met een wisselwerking. De klokstabiliteit kan verder worden verbeterd door het aantal atomen te vergroten, maar een hogere dichtheid van atomen stimuleert ook botsingen, het verschuiven van de frequenties waarop de atomen tikken en het verminderen van de kloknauwkeurigheid. Coherentietijden worden ook beperkt door botsingen. Dit is waar de voordelen van de veellichamencorrelatie kunnen helpen.

Het 3D-roosterontwerp - stel je een grote eierdoos voor - elimineert die afweging door de atomen op hun plaats te houden. De atomen zijn fermionen, een klasse van deeltjes die niet tegelijkertijd in dezelfde kwantumtoestand en locatie kunnen zijn. Voor een Fermi-kwantumgas onder de bedrijfsomstandigheden van deze klok, kwantummechanica geeft de voorkeur aan een configuratie waarin elke individuele roosterplaats wordt ingenomen door slechts één atoom, die de frequentieverschuivingen veroorzaakt door atomaire interacties in de 1-D-versie van de klok voorkomt.

JILA-onderzoekers gebruikten een ultrastabiele laser om een ​​recordniveau van synchronisatie tussen de atomen en lasers te bereiken, het bereiken van een record-hoge kwaliteitsfactor van 5,2 biljard (5,2 gevolgd door 15 nullen). Kwaliteitsfactor verwijst naar hoe lang een oscillatie of golfvorm kan aanhouden zonder te verdwijnen. De onderzoekers ontdekten dat atoombotsingen zodanig werden verminderd dat hun bijdrage aan frequentieverschuivingen in de klok veel minder was dan in eerdere experimenten.

"Deze nieuwe strontiumklok die een kwantumgas gebruikt, is een vroeg en verbazingwekkend succes in de praktische toepassing van de 'nieuwe kwantumrevolutie'. ' soms 'kwantum 2.0' genoemd, " zei Thomas O'Brian, hoofd van de NIST Quantum Physics Division en Ye's supervisor. "Deze benadering houdt een enorme belofte in voor NIST en JILA om kwantumcorrelaties te benutten voor een breed scala aan metingen en nieuwe technologieën, ver voorbij de timing."

Afhankelijk van meetdoelen en toepassingen, JILA-onderzoekers kunnen de parameters van de klok optimaliseren, zoals de bedrijfstemperatuur (10 tot 50 nanokelvin), atoomnummer (10, 000 tot 100, 000), en fysieke grootte van de kubus (20 tot 60 micrometer, of miljoensten van een meter).

Atoomklokken zijn al lang de grens van de meetwetenschap aan het verleggen, niet alleen in tijdwaarneming en navigatie, maar ook in definities van andere meeteenheden en andere onderzoeksgebieden, zoals bij het zoeken op tafel naar de ontbrekende "donkere materie" in het universum.

Het Nationaal Bureau voor Normen, nu NIST, vond in 1948 de eerste atoomklok uit.