JILA-natuurkundigen hebben een nieuw atoomklokontwerp gedemonstreerd dat bijna continue werking combineert met sterke signalen en hoge stabiliteit, functies die niet eerder samen werden gevonden in een enkel type atoomklok van de volgende generatie. De nieuwe klok, die een laserpincet gebruikt om te vangen, de atomen controleren en isoleren, biedt ook unieke mogelijkheden om de klokprestaties te verbeteren met behulp van de kneepjes van de kwantumfysica.

Beschreven in een paper dat op 12 september online wordt gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap , het nieuwe klokplatform is een reeks van maximaal 10 strontiumatomen die afzonderlijk worden opgesloten door 10 optische pincetten, die worden gecreëerd door een infrarode laserstraal die door een microscoop wordt gericht en in 10 punten wordt afgebogen.

JILA is een gezamenlijk onderzoeks- en opleidingsinstituut dat wordt beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

Hoewel JILA-onderzoekers de prestaties van de nieuwe klok nog niet volledig hebben geëvalueerd, voorlopige gegevens suggereren dat het ontwerp veelbelovend is. De pincetklok is "in dienst" en controleert zelf 96% van de tijd zijn prestaties omdat hij weinig uitvaltijd nodig heeft om nieuwe atomen voor te bereiden, en de atomen zijn goed geïsoleerd, zodat ze minder snel met elkaar interfereren. Beide sterke punten worden gedeeld met een van 's werelds toonaangevende klokken, een klok gebaseerd op een enkel ion (elektrisch geladen atoom). De pincetklok kan ook de sterke signalen en stabiliteit van een roosterklok met meerdere atomen leveren, die atomen opsluit in een raster van laserlicht.

"De langetermijnbelofte van het pincetontwerp als concurrerende klok is geworteld in zijn unieke balans tussen deze mogelijkheden, " JILA/NIST natuurkundige en projectleider Adam Kaufman zei.

Atomaire klokken van de volgende generatie stabiliseren de kleur, of frequentie, van een laser naar atomen die "tikken" tussen twee energieniveaus. De pincetklok vangt en bestuurt atomen afzonderlijk om de tikstabiliteit te behouden en detecteert dit gedrag zonder ze te verliezen, en kan dus dezelfde atomen vele malen hergebruiken zonder voortdurend nieuwe te moeten herladen.

"Het pincetontwerp lost verschillende problemen met andere atoomklokken op, " zei Kaufman. "Met onze techniek, we kunnen atomen vasthouden en hergebruiken tot 16 seconden, wat de werkcyclus verbetert - de fractie van de tijd die wordt besteed aan het tikken van de atomen om de laserfrequentie te corrigeren - en precisie. De pincetklok kan ook heel snel een enkel atoom in een valplaats krijgen, waardoor er minder interferentie is en je een stabieler signaal krijgt voor een langere tijd."

NIST- en JILA-onderzoekers bouwen al vele jaren atoomklokken van de volgende generatie. Deze klokken werken op optische frequenties, die veel hoger zijn dan de huidige tijdstandaarden op basis van microgolffrequenties. Het onderzoek helpt bij de voorbereiding op de toekomstige internationale herdefiniëring van de tweede, die sinds 1967 is gebaseerd op het cesiumatoom. Optische klokken hebben ook toepassingen die verder gaan dan tijdwaarneming, zoals het meten van de vorm van de aarde op basis van zwaartekrachtmetingen (geodesie genoemd), op zoek naar de ongrijpbare donkere materie waarvan men denkt dat deze de meeste materie in het universum vormt, en het verbeteren van kwantuminformatiewetenschappen.

Om de pincetklok te maken, een infrarood laserstraal wordt in een microscoop gericht en op een kleine plek gefocusseerd. Radiogolven met 10 verschillende frequenties worden achtereenvolgens toegepast op een speciale deflector om 10 lichtvlekken te creëren voor het vangen van individuele atomen. De vallen worden om de paar seconden bijgevuld vanuit een voorgekoelde wolk van atomen die overlapt met het pincetlicht.

De atomen die door het pincet worden vastgehouden, worden geëxciteerd door een laser die wordt gestabiliseerd door een siliciumkristalholte, waarin licht met een bepaalde frequentie heen en weer kaatst. Dit "kloklaser"-licht - geleverd door co-auteur en NIST/JILA Fellow Jun Ye's lab - wordt loodrecht op het pincetlicht aangebracht, samen met een aangelegd magnetisch veld. Niet-destructieve beeldvorming laat zien of de atomen goed tikken; de atomen zenden alleen licht uit, of fluoresceren, wanneer in de staat van lagere energie.

Te veel atomen in het systeem kunnen leiden tot botsingen die de klok destabiliseren, dus om extra atomen kwijt te raken, de onderzoekers passen een lichtpuls toe om zwak gebonden moleculen te maken, die dan uit elkaar vallen en aan de val ontsnappen. Pincet-sites blijven ofwel met één atoom of leeg; bij elke uitvoering van het experiment, elk pincet heeft ongeveer 50% kans om leeg te zijn of een enkel atoom te bevatten. Met maximaal één atoom per site blijft de ticking voor langere tijd stabiel.

Net als een gewoon metalen pincet, het laserpincet biedt nauwkeurige controle, waarmee onderzoekers de afstand tussen atomen kunnen variëren en hun kwantumeigenschappen kunnen aanpassen. Kaufman heeft eerder een optisch pincet gebruikt om twee atomen te "verstrengelen", een kwantumfenomeen dat hun eigenschappen zelfs op afstand met elkaar verbindt. Het pincet wordt gebruikt om de atomen te exciteren, zodat hun elektronen zwakker aan de kern zijn gebonden. Deze "pluizige" toestand maakt het gemakkelijker om de atomen op te sluiten in tegengestelde interne magnetische toestanden die spin-up en spin-down worden genoemd. Dan verstrengelt een proces dat spin-uitwisseling wordt genoemd, de atomen. Speciale kwantumtoestanden zoals verstrengeling kunnen de meetgevoeligheid verbeteren en dus de klokprecisie verbeteren.

Het onderzoeksteam is nu van plan om een ​​grotere klok te bouwen en de prestaties ervan formeel te evalueren. specifiek, de onderzoekers zijn van plan meer pincetten en atomen te gebruiken, met een doel van ongeveer 150 atomen. Kaufman is ook van plan verstrengeling toe te voegen, die de klokgevoeligheid en prestaties kunnen verbeteren en, in een aparte aanvraag, misschien een nieuw platform bieden voor quantum computing en simulatie.