JILA-wetenschappers hebben een nieuwe beeldvormingstechniek uitgevonden die snelle, nauwkeurige metingen van kwantumgedrag in een atoomklok in de vorm van bijna onmiddellijke beeldende kunst.

De techniek combineert spectroscopie, die informatie haalt uit interacties tussen licht en materie, met hoge resolutie microscopie.

Zoals beschreven in Fysieke beoordelingsbrieven , de JILA-methode maakt ruimtelijke kaarten van energieverschuivingen tussen de atomen in een driedimensionale strontiumrooster-atoomklok, het verstrekken van informatie over de locatie en het energieniveau van elk atoom, of kwantumtoestand.

De techniek meet snel fysieke effecten die belangrijk zijn voor atoomklokken, waardoor de precisie van de klok wordt verbeterd, en het kan nieuwe details op atomair niveau toevoegen aan studies van verschijnselen zoals magnetisme en supergeleiding. In de toekomst, de methode kan wetenschappers in staat stellen eindelijk nieuwe fysica te zien, zoals het verband tussen kwantumfysica en zwaartekracht.

JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

"Deze techniek stelt ons in staat om met laserlicht en atomen een prachtig stuk 'muziek' te schrijven, en breng dat dan in kaart in een structuur en bevries het als een steen, zodat we naar individuele atomen kunnen kijken, luisterend naar de verschillende tonen van de laser, direct uitlezen als afbeelding, "JILA/NIST-collega Jun Ye zei.

De atomen zitten in een zogenaamd kwantumontaard gas, waarin grote aantallen atomen met elkaar interageren. Dit "quantum many-body"-fenomeen breidt de meetnauwkeurigheid uit tot nieuwe uitersten.

Om atomen voor te bereiden op een beautyshot, onderzoekers gebruiken een laserpuls om ongeveer 10, 000 strontiumatomen van hun laagenergetische grondtoestand naar een hoogenergetische, opgewonden toestand. Vervolgens, een blauwe laser die onder het rooster is geplaatst, wordt verticaal door de atomen heen geschenen, en een camera maakt een foto van de schaduw die de atomen werpen, wat een functie is van hoeveel licht ze absorberen. Atomen in de grondtoestand absorberen meer licht.

De resulterende afbeeldingen zijn weergaven in valse kleuren van atomen in de grondtoestand (blauw) en aangeslagen toestand (rood). Het witte gebied vertegenwoordigt atomen in een fijn mengsel van ongeveer 50 procent rood en 50 procent blauw, een gevlekt effect creëren. Dit gebeurt omdat deze atomen aanvankelijk werden bereid in een kwantumtoestand van superpositie, of zowel grond- als aangeslagen toestanden tegelijk, en de beeldmeting veroorzaakt een ineenstorting in een van de twee toestanden, waardoor "ruis" in het beeld ontstaat.

Als demonstratie, het JILA-team heeft een reeks afbeeldingen gemaakt om kleine frequentieverschuivingen in kaart te brengen, of fracties van atomen in de aangeslagen toestand, over verschillende delen van het rooster. De mogelijkheid om gelijktijdige vergelijkingen te maken, verbetert de precisie en snelheid bij metingen van een groep atomen. De onderzoekers rapporteerden een recordprecisie in de meetfrequentie van 2,5 x 10-19 (fout van slechts 0,25 delen per miljard miljard) in 6 uur. Beeldspectroscopie zal naar verwachting de precisie van de JILA-atoomklok aanzienlijk verbeteren, en andere atoomklokken in het algemeen.

Beeldspectroscopie geeft informatie over de lokale omgeving van de atomen, vergelijkbaar met de ongelooflijke resolutie die wordt geboden door scanning tunneling microscopie. Tot dusver, de methode is gebruikt om tweedimensionale afbeeldingen te produceren, maar het zou 3D-beelden kunnen maken op basis van laag-voor-laag metingen, zoals bij tomografie wordt gedaan, die meerdere doorsneden van vaste objecten combineert, zei je.

Een soort kunstkristal, het rooster van atomen kan ook worden gebruikt als magnetische of zwaartekrachtsensor om de wisselwerking tussen verschillende natuurkundige gebieden te testen. Ye is het meest enthousiast over de toekomstige mogelijkheid om de atomen in de klok als zwaartekrachtsensor te gebruiken, om te zien hoe de kwantummechanica, die op zeer kleine ruimtelijke schaal werkt, interageert met de algemene relativiteitstheorie, de theorie van de zwaartekracht, een macroscopische kracht.

"Naarmate de klok beter wordt in de komende 20 jaar, dit kleine kristal kon niet alleen in kaart brengen hoe zwaartekracht de frequentie beïnvloedt, maar we kunnen ook het samenspel van zwaartekracht en kwantummechanica gaan zien, " Ye zei. "Dit is een fysiek effect dat geen enkele experimentele sonde ooit heeft gemeten. Deze beeldvormingstechniek zou een heel belangrijk hulpmiddel kunnen worden."