NIST debuterer dobbelt atomur - og en ny stabilitetsrekord

Hvad kunne være bedre end et verdensførende atomur? To ure i ét.

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har kombineret to eksperimentelle atomure baseret på ytterbiumatomer for at sætte endnu en verdensrekord for urstabilitet. Stabilitet kan opfattes som, hvor præcist varigheden af ​​hvert ur -kryds matcher alle andre kryds, der kommer før og efter.

Denne ekstraordinære stabilitet gør ytterbium gitteruret til et mere kraftfuldt værktøj til præcisionstest, såsom om naturens "grundlæggende konstanter" virkelig er konstante, og søger efter det undvigende mørke stof, der påstås at udgøre meget af universet. Eksperimentet, der viser dobbelt-ur-designet, er rapporteret i Natur fotonik .

"Vi fjernede en kritisk form for støj i urets drift, effektivt gør urets signal stærkere, "NIST -fysiker Andrew Ludlow sagde." Det betyder, at vi kan nå et ur ustabilt på 1,5 dele på en kvintillion (1 efterfulgt af 18 nuller) på få tusinde sekunder. Selvom dette kun en smule slår rekordniveauet for urstabilitet, som vi demonstrerede for et par år siden, vi kommer der 10 gange hurtigere. "

NIST atomure udfører rutinemæssigt på meget høje niveauer, men forskere tilpasser dem løbende for at reducere små ufuldkommenheder. Det nye design med dobbelt ur eliminerer en lille, men betydelig forvrængning i laserfrekvensen, der sonderer og synkroniserer med atomerne. Jo mere stabilt uret er, jo bedre er dens måleevne.

Det nye ytterbiumgitter 'dobbeltur' er det mest stabile ur i verden, selvom endnu et NIST atomur, baseret på strontium og placeret på JILA, har verdensrekord for præcision. Præcision refererer til, hvor tæt uret indstiller sig til den naturlige frekvens, hvormed atomerne svinger mellem to elektroniske energiniveauer.

Både ytterbium- og strontiumure tikker ved optiske frekvenser, meget højere end mikrobølgefrekvenserne for cæsiumatomure, der bruges som tidsstandarder. Et optisk atomur fungerer ved at indstille frekvensen af ​​en laser til at resonere med frekvensen af ​​atomernes overgang mellem to energitilstande. Denne atomiske kryds overføres til laseren til brug som et tidtagningsværktøj. Enhver støj eller usikkerhed, der påvirker denne proces, forstyrrer laserfrekvensen og, dermed, tidspræcisionens præcision.

Optiske atomure skifter typisk laserprobering af atomerne med perioder med "dødtid", hvor atomerne fremstilles og måles. I døde tider, visse laserfrekvensudsving observeres eller kompenseres ikke korrekt i laserindstillingsprocessen. De resulterende støjeffekter (først observeret i 1990'erne af G.J. Dick, derefter af California Institute of Technology) har, indtil nu, begrænset urstabilitet og præcision.

NIST's nye dobbelt-ur-design har nul dødtid-og er, derfor, tilnavnet ZDT-uret-og stort set ingen dødtidsstøj, fordi den sonderer atomer kontinuerligt ved at skifte frem og tilbage fra det ene atomensemble til det andet. De to ensembler på 5, 000 og 10, 000 ytterbiumatomer, henholdsvis, er hver fanget i et gitter af laserlys kaldet et optisk gitter og sonderet af en delt laser.

Målinger af reaktionerne fra de to atomensembler kombineres for at producere et enkelt, kombineret korrektion til laserfrekvensen. Disse målinger og korrektioner foretages dobbelt så hurtigt som på et enkelt ur. Fordi der ikke er nogen dødtidsstøj, det nye ur opnår rekordstabilitetsniveauer 10 gange hurtigere end før. Vigtigt, ydeevnen er nu begrænset af atomets system i stedet for laseren, et længe søgt mål inden for fysik, som Ludlow kalder en "drøm" for fremtidige applikationer.

Denne tilgang kan i sidste ende reducere atomurets størrelse og kompleksitet, så apparatet kunne gøres bærbart nok til at kunne bruges uden for laboratoriet. Den fysiske pakke er i øjeblikket større end et enkelt ur, men til sidst kunne begge atomsystemer dele et enkelt vakuumapparat og enklere lasersystemer, dermed reducere den samlede størrelse, Sagde Ludlow. Bærbare optiske atomure kunne distribueres rundt om i verden for relativistisk geodesi (tyngdekraftsbaserede målinger af Jordens form) eller transporteres med rumfartøjer til test af generel relativitet.