3D-atomur med kvantgas tilbyder nye målinger

JILA fysikere har skabt et helt nyt design til et atomur, hvor strontiumatomer er pakket i en lille tredimensionel (3-D) terning ved 1, 000 gange tætheden af ​​tidligere endimensionelle (1-D) ure. Derved, de er de første til at udnytte den ultrakontrollerede adfærd fra en såkaldt "kvantegas" til at lave en praktisk måleenhed.

Med så mange atomer fuldstændig immobiliseret på plads, JILAs kubiske kvantegasur sætter rekord for en værdi kaldet "kvalitetsfaktor" og den resulterende målepræcision. En stor kvalitetsfaktor udmønter sig i et højt synkroniseringsniveau mellem atomerne og laserne, der bruges til at sonde dem, og gør urets "flåter" rene og stabile i usædvanligt lang tid, dermed opnå højere præcision.

Indtil nu, hvert af de tusindvis af "tikkende" atomer i avancerede ure opfører sig og måles stort set uafhængigt. I modsætning, det nye kubiske kvantegasur bruger en globalt interagerende samling af atomer til at begrænse kollisioner og forbedre målinger. Den nye tilgang lover at indlede en æra med dramatisk forbedrede målinger og teknologier på tværs af mange områder baseret på kontrollerede kvantesystemer.

Det nye ur er beskrevet i nummeret 6. oktober af Videnskab .

"Vi går ind i en virkelig spændende tid, hvor vi kan kvanteudvikle en tilstand af stof til et bestemt måleformål, "sagde fysiker Jun Ye fra National Institute of Standards and Technology (NIST). Du arbejder på JILA, som drives i fællesskab af NIST og University of Colorado Boulder.

Urets midtpunkt er en usædvanlig stoftilstand kaldet en degenereret Fermi-gas (en kvantegas for Fermi-partikler), først oprettet i 1999 af Yes afdøde kollega Deborah Jin. Alle tidligere atomure har brugt termiske gasser. Anvendelsen af ​​en kvantegas gør det muligt at kvantisere alle atomernes egenskaber, eller begrænset til bestemte værdier, for første gang.

"Det vigtigste potentiale ved 3-D-kvantgasuret er evnen til at skalere atomtalene, hvilket vil føre til en enorm gevinst i stabilitet, " sagde du. "Også, vi kunne nå den ideelle tilstand for at køre uret med sin fulde sammenhængstid, som refererer til, hvor længe en række flåter kan forblive stabile. Evnen til at skalere både atomnummer og sammenhængstid vil gøre dette nye generations ur kvalitativt anderledes end den foregående generation. "

Indtil nu, atomure har behandlet hvert atom som en separat kvantepartikel, og interaktioner mellem atomerne medførte måleproblemer. Men en konstrueret og kontrolleret samling, et "kvante mange-krops system, "arrangerer alle sine atomer i et bestemt mønster, eller sammenhæng, at skabe den laveste samlede energitilstand. Atomerne undgår derefter hinanden, uanset hvor mange atomer der tilføjes til uret. Atomgassen omdanner sig effektivt til en isolator, som blokerer interaktioner mellem bestanddele.

Resultatet er et atomur, der kan overgå alle forgængere. For eksempel, stabilitet kan betragtes som, hvor præcist varigheden af ​​hvert kryds matcher hvert andet kryds, som er direkte knyttet til urets målepræcision. Sammenlignet med Yes tidligere 1-D ure, det nye 3D-kvantegasur kan nå det samme præcisionsniveau mere end 20 gange hurtigere på grund af det store antal atomer og længere sammenhængstider.

De eksperimentelle data viser, at 3D-kvantegasuret opnåede en præcision på kun 3,5 dele fejl i 10 quintillion (1 efterfulgt af 19 nuller) på cirka 2 timer, hvilket gør det til det første atomur, der nogensinde nåede denne tærskel (19 nuller). "Dette repræsenterer en markant forbedring i forhold til alle tidligere demonstrationer, "Sagde du.

Den ældre, 1-D version af JILA uret var, indtil nu, verdens mest præcise ur. Dette ur rummer strontiumatomer i en lineær række pandekageformede fælder dannet af laserstråler, kaldes et optisk gitter. Det nye 3D-kvantegasur bruger yderligere lasere til at fange atomer langs tre akser, så atomer holdes i et kubisk arrangement. Dette ur kan opretholde stabile flåter i næsten 10 sekunder med 10, 000 strontiumatomer fanget med en densitet over 10 billioner atomer pr. Kubikcentimeter. I fremtiden, uret kan muligvis sondere millioner af atomer i mere end 100 sekunder ad gangen.

Optiske gitterure, på trods af deres høje ydelsesniveauer i 1-D, skal håndtere en afvejning. Urets stabilitet kan forbedres yderligere ved at øge antallet af atomer, men en højere densitet af atomer tilskynder også til kollisioner, forskydning af de frekvenser, hvormed atomerne tikker, og reducerer urets nøjagtighed. Sammenhængstid er også begrænset af kollisioner. Det er her, fordelene ved mange-krops-korrelationen kan hjælpe.

3D-gitterdesignet-forestil dig en stor æggekarton-eliminerer denne afvejning ved at holde atomerne på plads. Atomer er fermioner, en klasse af partikler, der ikke kan være i samme kvantetilstand og placering på én gang. For en Fermi -kvantgas under dette urets driftsbetingelser, kvantemekanik favoriserer en konfiguration, hvor hvert enkelt gittersted kun er optaget af et atom, hvilket forhindrer frekvensforskydninger forårsaget af atomiske interaktioner i 1-D-versionen af ​​uret.

JILA-forskere brugte en ultrastabil laser til at opnå et rekordniveau af synkronisering mellem atomer og lasere, når en rekordhøj kvalitetsfaktor på 5,2 kvadrillion (5,2 efterfulgt af 15 nuller). Kvalitetsfaktor refererer til, hvor længe en svingning eller bølgeform kan vedvare uden at forsvinde. Forskerne fandt ud af, at atomkollisioner blev reduceret, så deres bidrag til frekvensforskydninger i uret var meget mindre end i tidligere forsøg.

"Dette nye strontiumur, der bruger en kvantegas, er en tidlig og forbløffende succes i den praktiske anvendelse af den 'nye kvanterevolution, 'undertiden kaldet' quantum 2.0 ', "sagde Thomas O'Brian, chef for NIST Quantum Physics Division og Yes vejleder. "Denne tilgang har et enormt løfte for NIST og JILA om at udnytte kvantekorrelationer for en bred vifte af målinger og nye teknologier, langt ud over timing."

Afhængigt af målemål og anvendelser, JILA -forskere kan optimere urets parametre såsom driftstemperatur (10 til 50 nanokelvin), atomnummer (10, 000 til 100, 000), og terningens fysiske størrelse (20 til 60 mikrometer, eller milliontedele af en meter).

Atomure har længe været fremme ved målevidenskabens grænse, ikke kun i tidtagning og navigation, men også i definitioner af andre måleenheder og andre forskningsområder, f.eks. ved bordpladesøgninger efter det manglende "mørke stof" i universet.

National Bureau of Standards, nu NIST, opfandt det første atomur i 1948.