In een nieuwe studie gepubliceerd in Science vandaag hebben JILA en NIST (National Institute of Standards and Technology) Fellow Jun Ye en zijn onderzoeksteam een ​​belangrijke stap gezet in het begrijpen van de ingewikkelde en collectieve licht-atoominteracties binnen atoomklokken, de meest nauwkeurige klokken in het universum.

Met behulp van een kubisch rooster maten de onderzoekers specifieke energieverschuivingen binnen de reeks strontium-87-atomen als gevolg van dipool-dipoolinteracties. Met een hoge atomendichtheid werden deze frequentieverschuivingen op mHz-niveau – bekend als coöperatieve Lamb-verschuivingen – spectroscopisch bestudeerd. Deze verschuivingen werden ruimtelijk bestudeerd en vergeleken met berekende waarden met behulp van beeldvormende spectroscopietechnieken die in dit experiment waren ontwikkeld.

Deze coöperatieve Lamb-verschuivingen, zo genoemd omdat de aanwezigheid van veel identieke atomen in een krappe ruimte de elektromagnetische modusstructuur eromheen wijzigt, zijn een belangrijke factor naarmate het aantal atomen in klokken blijft groeien.

"Als je deze interacties met hoge dichtheid in dit raster kunt begrijpen en controleren, kun je het raster altijd groter en groter maken", legt JILA-afstudeerder William Milner, de tweede auteur van het artikel, uit. "Het is een inherent schaalbare technologie, belangrijk voor het verbeteren van de klokprestaties."

Tijd in een kubus

Atoomklokken, lang beschouwd als het toppunt van precisie, werken volgens het principe van het meten van de frequentie van licht dat door atomen wordt geabsorbeerd of uitgezonden. Elke tik van deze klokken wordt bepaald door de oscillaties van de kwantumsuperpositie van elektronen binnen deze atomen, gestimuleerd door de overeenkomstige energie van een indringende laser. De laser exciteert de atomen in een kwantumtoestand die bekend staat als de kloktoestand.

Terwijl meer traditionele optische roosterklokken een eendimensionaal optisch rooster gebruiken, waardoor de bewegingen van de atomen slechts in één sterk beperkende richting worden onderdrukt, beperkte de strontium-kwantumgasklok die in dit onderzoek werd gebruikt de atomen in alle richtingen door ze in een kubieke opstelling te plaatsen. Hoewel het gebruik van een 3D-rooster een aantrekkelijke klokgeometrie is, vereist het ook de voorbereiding van een ultrakoud kwantumgas van atomen en het zorgvuldig laden ervan in het rooster.

"Het is ingewikkelder, maar het heeft een aantal unieke voordelen omdat het systeem over meer kwantumeigenschappen beschikt", legt Milner uit.

In de kwantumfysica beïnvloedt de ruimtelijke rangschikking van deeltjes hun gedrag op kritische wijze. Met zijn uniformiteit en evenwicht creëerde het kubusvormige rooster een gecontroleerde omgeving waarin atomaire interacties met ongekende precisie waarneembaar en manipuleerbaar waren.

Dipool-dipool-interacties bekijken

Met behulp van het kubieke rooster konden Ross Hutson (een recent JILA Ph.D.afgestudeerd), Milner en de andere onderzoekers in het Ye-lab de dipool-dipoolinteracties tussen de strontiumatomen vergemakkelijken en meten. Deze verschuivingen, die normaal gesproken zo klein zijn dat ze worden verwaarloosd, komen voort uit collectieve interferentie tussen de atomen die zich als dipolen gedragen wanneer ze worden voorbereid in een superpositie van de twee kloktoestanden.

Omdat de ruimtelijke ordening van de atomen binnen het kubieke rooster de dipolaire koppeling beïnvloedt, zouden onderzoekers de dipoolinteracties kunnen versterken of verminderen door de hoek van de kloklaser ten opzichte van het rooster te manipuleren. Terwijl ze onder een speciale hoek werkten – de Bragg-hoek – verwachtten de onderzoekers sterke constructieve interferentie en namen ze een overeenkomstig grotere frequentieverschuiving waar.

Kijken naar coöperatieve lamsploegen

Omdat er binnen het rooster sterkere dipool-dipool-interacties plaatsvonden, ontdekten de onderzoekers dat deze interacties lokale energieverschuivingen door het hele kloksysteem veroorzaakten.

Deze energieverschuivingen, of coöperatieve Lam-verschuivingen, zijn zeer kleine effecten die normaal gesproken moeilijk te detecteren zijn. Wanneer veel atomen gegroepeerd zijn, zoals in een kubisch klokrooster, worden deze verschuivingen een collectieve aangelegenheid en worden ze onthuld door de nieuw bereikte klokmeetprecisie. Als ze niet onder controle worden gehouden, kunnen ze de nauwkeurigheid van atoomklokken beïnvloeden.

"Deze [verschuivingen] werden aanvankelijk in 2004 voorgesteld als een futuristisch iets om je zorgen over te maken [voor de kloknauwkeurigheid]", voegt Milner toe. "Nu zijn ze plotseling relevanter [naarmate je meer atomen aan het rooster toevoegt]."

Alsof het meten van deze verschuivingen niet interessant genoeg was, was het nog interessanter dat de onderzoekers zagen dat de coöperatieve Lamb-verschuivingen niet uniform waren over het hele rooster, maar varieerden afhankelijk van de specifieke locatie van elk atoom.

Deze lokale variatie is significant voor klokmetingen:het houdt in dat de frequentie waarmee atomen oscilleren, en dus het 'tikken' van de klok, enigszins kan verschillen van het ene deel van het rooster tot het andere. Een dergelijke ruimtelijke afhankelijkheid van de coöperatieve Lamb-verschuivingen is een belangrijke systematische verschuiving die we moeten begrijpen, aangezien onderzoekers ernaar streven de nauwkeurigheid van de tijdwaarneming te verbeteren.

"Door deze verschuivingen te meten en te zien dat ze overeenkomen met onze voorspelde waarden, kunnen we de klok kalibreren om nauwkeuriger te zijn", zegt Milner.

Uit hun metingen realiseerde het team zich dat er een nauw verband bestond tussen de coöperatieve Lamb-verschuivingen en de voortplantingsrichting van de kloksondelaser binnen het rooster. Dankzij deze relatie konden ze een specifieke hoek vinden waar een "nuldoorgang" werd waargenomen en het teken van de frequentieverschuiving overging van positief naar negatief.

"Het is een bepaalde kwantumtoestand die geen collectieve Lamb-verschuiving ervaart (gelijke superpositie van grondtoestand en aangeslagen toestand)", legt JILA-afgestudeerde student Lingfeng Yan uit. Door te spelen met het verband tussen de voortplantingshoek van de laser ten opzichte van het kubusvormige rooster en de coöperatieve Lamb-verschuivingen hebben de onderzoekers de klok verder kunnen verfijnen om robuuster te zijn tegen deze energieverschuivingen.

Andere natuurkunde verkennen

Naast het beheersen en minimaliseren van deze dipool-dipool-interacties in het kubieke rooster, hopen de JILA-onderzoekers deze interacties te gebruiken om de fysica van veel lichamen in hun kloksysteem te onderzoeken.

‘Er is een heel interessante natuurkunde aan de gang omdat je deze op elkaar inwerkende dipolen hebt’, legt Milner uit. ‘Dus mensen, zoals Ross Hutson, hebben ideeën om deze dipool-dipool-interacties zelfs potentieel te gebruiken voor spin-squeezing [een soort kwantumverstrengeling] om nog betere klokken maken."

Meer informatie: Ross B. Hutson et al, Observatie van coöperatieve lamsverschuivingen op millihertzniveau in een optische atoomklok, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adh4477

Journaalinformatie: Wetenschap

Geleverd door JILA