Wetenschap
Superstralende atomen kunnen de grenzen verleggen van hoe nauwkeurig tijd kan worden gemeten
Superstralende atomen kunnen ons helpen de tijd nauwkeuriger dan ooit te meten. In een recente studie presenteren onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen een nieuwe methode voor het meten van het tijdsinterval, de tweede, waarmee enkele van de beperkingen worden verzacht waarmee de meest geavanceerde atoomklokken van vandaag worden geconfronteerd. Het resultaat zou brede implicaties kunnen hebben op gebieden als ruimtevaart, vulkaanuitbarstingen en GPS-systemen.
De tweede is de meest nauwkeurig gedefinieerde meeteenheid, vergeleken met andere basiseenheden zoals de kilogram, meter en graad Kelvin. De tijd wordt momenteel gemeten door atoomklokken op verschillende plaatsen in de wereld, die ons samen vertellen hoe laat het is. Met behulp van radiogolven zenden atoomklokken voortdurend signalen uit die onze computers, telefoons en polshorloges synchroniseren.
Oscillaties zijn de sleutel tot het bijhouden van de tijd. Bij een staande klok zijn deze trillingen het gevolg van een slinger die elke seconde heen en weer zwaait, terwijl het bij een atoomklok een laserstraal is die overeenkomt met een energietransitie in strontium en ongeveer een miljoen miljard keer per seconde oscilleert. P>
Maar volgens Ph.D. collega Eliot Bohr van het Niels Bohr Instituut – achterkleinzoon van Niels Bohr – zouden zelfs atoomklokken nauwkeuriger kunnen worden. Dit komt doordat de detectielaser, die door de meeste moderne atoomklokken wordt gebruikt om de oscillatie van atomen te meten, de atomen zo sterk opwarmt dat ze ontsnappen, wat de nauwkeurigheid aantast.
“Omdat de atomen voortdurend moeten worden vervangen door nieuwe nieuwe atomen, terwijl nieuwe atomen worden voorbereid, verliest de klok een klein beetje tijd. Daarom proberen we enkele van de huidige uitdagingen en beperkingen van ‘s werelds beste atoomklokken te overwinnen door , onder andere door de atomen te hergebruiken, zodat ze niet zo vaak vervangen hoeven te worden", legt Bohr uit, die bij het Niels Bohr Instituut werkte toen hij het onderzoek deed, maar nu gepromoveerd is. fellow aan de Universiteit van Colorado.
Hij is de hoofdauteur van een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications , dat gebruik maakt van een innovatieve en wellicht efficiëntere manier om tijd te meten.
Superstraling en afkoeling tot het absolute nulpunt
De huidige methodologie bestaat uit een hete oven die ruwweg 300 miljoen strontiumatomen in een buitengewoon koude bal van koude atomen spuwt, bekend als een magneto-optische val, of MOT. De temperatuur van deze atomen is ongeveer -273°C – heel dichtbij het absolute nulpunt – en er zijn twee spiegels met een lichtveld ertussen om de atomaire interacties te versterken. Samen met zijn onderzoekscollega's heeft Bohr een nieuwe methode ontwikkeld om de atomen uit te lezen.
"Wanneer de atomen in de vacuümkamer landen, liggen ze volkomen stil omdat het zo koud is, waardoor het mogelijk is om hun oscillaties te registreren met de twee spiegels aan tegenovergestelde uiteinden van de kamer", legt Bohr uit.
De reden waarom de onderzoekers de atomen niet met een laser hoeven te verwarmen en te vernietigen, is te danken aan een kwantumfysisch fenomeen dat bekend staat als 'superradiance'. Het fenomeen doet zich voor wanneer de groep strontiumatomen verstrengeld is en tegelijkertijd licht uitzendt in het veld tussen de twee spiegels.
‘De spiegels zorgen ervoor dat de atomen zich als één geheel gedragen. Gezamenlijk zenden ze een krachtig lichtsignaal uit waarmee we de atomaire toestand kunnen uitlezen, een cruciale stap bij het meten van de tijd. Deze methode verhit de atomen minimaal, zodat het allemaal gebeurt zonder de atomen te vervangen, en dit heeft het potentieel om er een nauwkeurigere meetmethode van te maken", legt Bohr uit.
GPS, ruimtemissies en vulkaanuitbarstingen
Volgens Bohr kan het nieuwe onderzoeksresultaat nuttig zijn voor de ontwikkeling van een nauwkeuriger GPS-systeem. De grofweg dertig satellieten die voortdurend rond de aarde cirkelen en ons vertellen waar we zijn, hebben atoomklokken nodig om de tijd te meten.
"Elke keer dat satellieten de positie van je telefoon of GPS bepalen, gebruik je een atoomklok in een satelliet. De precisie van de atoomklokken is zo belangrijk dat als die atoomklok een microseconde uitwijkt, dit een onnauwkeurigheid van ongeveer 100 meter betekent. op het aardoppervlak", legt Bohr uit.
Toekomstige ruimtemissies zijn een ander gebied waarop de onderzoeker verwacht dat nauwkeurigere atoomklokken een aanzienlijke impact zullen hebben.
"Wanneer mensen en ruimtevaartuigen de ruimte in worden gestuurd, wagen ze zich nog verder weg van onze satellieten. Bijgevolg zijn de vereisten voor nauwkeurige tijdmetingen om in de ruimte te navigeren veel groter", zegt hij.
Het resultaat zou ook nuttig kunnen zijn bij de ontwikkeling van een nieuwe generatie kleinere, draagbare atoomklokken die voor meer dan "alleen" het meten van tijd kunnen worden gebruikt.
"Atoomklokken zijn gevoelig voor veranderingen in de zwaartekracht en kunnen daarom worden gebruikt om veranderingen in de massa en zwaartekracht van de aarde te detecteren, en dit zou ons kunnen helpen voorspellen wanneer vulkaanuitbarstingen en aardbevingen zullen plaatsvinden", zegt Bohr.
Bohr benadrukt dat, hoewel de nieuwe methode waarbij gebruik wordt gemaakt van superstralende atomen veelbelovend is, het nog steeds een 'proof of concept' is dat verdere verfijning behoeft.
Het onderzoek werd uitgevoerd door het team van Jörg Helge Müller en Jan Thomsen van het Niels Bohr Instituut, in samenwerking met Ph.D. studenten Sofus Laguna Kristensen en Julian Robinson-Tait, en postdoc Stefan Alaric Schäffer. Het project omvatte ook bijdragen van de theoretici Helmut Ritsch en Christoph Hotter van de Universiteit van Innsbruck, evenals van Tanya Zelevinsky van Columbia University. Dit werk onderstreept het belang van internationale samenwerking in de wetenschappen.