Forsømt atom har topegenskaber for atomure

Ligesom urmagere vælger overlegne materialer til at bygge et fint ur, fysikere ved Center for Quantum Technologies (CQT) ved National University of Singapore har udpeget et atom, der kunne give dem mulighed for at bygge bedre atomure. CQT -teamet rapporterer i Naturkommunikation at et tidligere forsømt element - lutetium - kunne forbedre dagens bedste ure. Lutetium (Lu) er et sjældent jordelement med atomnummer 71.

"Et urs ultimative ydelse kommer ned på atomets egenskaber - hvor ufølsomt atomet er for dets miljø. Jeg vil kalde lutetium top i sin klasse, "siger Murray Barrett, der ledede forskningen. Data i teamets papir, udgivet 25. april i Naturkommunikation , viser, at lutetium har lavere temperaturfølsomhed end atomer, der bruges i ure i dag. Disse målinger føjer til tidligere resultater, og viser, at det kan være grundlaget for et højtydende ur.

Atomure har sat den globale standard for måling af tid i over et halvt århundrede. Men da det andet blev defineret med henvisning til cæsiumatomer i 1960'erne, der har været verdensomspændende konkurrence om at forbedre nøjagtigheden og stabiliteten af ​​atomure. Tidssignaler fra cæsiumure understøtter stadig det globale positioneringssystem og hjælper med at synkronisere transport- og kommunikationsnetværk, men atomer af mange andre arter, såsom ytterbium, aluminium og strontium, nu kæmper om at foretage de mest præcise målinger af tid.

Disse næste generations ure, med usikkerhed omkring en del i en milliard-milliarder, beviser deres slagkraft i at teste grundlæggende fysik - fra målinger af tyngdekraften til at lede efter drift i grundlæggende konstanter. Et kryds ved et atomur kommer ikke direkte fra atomet, men fra svingningen af ​​en lysbølge. Oscillationsfrekvensen fastgøres ved at låse den til atomets resonansfrekvens. I praksis, det betyder, at en laser er indstillet til at få en af ​​atomets elektroner til at springe fra et lavt energiniveau til et højere energiniveau. Hvor meget energi dette spring tager er en fast egenskab ved atomet. Laserens frekvens matches til at levere den helt rigtige mængde energi i en enkelt lyspartikel (en foton). Når dette søde sted er fundet, uret tæller tid ved at måle lysbølgens svingninger.

Cæsiumure kører med mikrobølgefrekvens - eller præcis 9, 192, 631, 770 flåter i sekundet. Den seneste generation af atomure kører ved optiske frekvenser, der markerer nogle 10, 000 gange hurtigere. Tælle tid i mindre trin giver mulighed for mere præcis måling.

Lutetium kører også ved optiske frekvenser, men der er mere ved at lave gode ure end et hurtigt kryds - disse flåter skal også være stabile over tid. Det er her lutetium kan skinne.

En kilde til unøjagtighed i urfrekvensen er følsomhed over for temperaturen i miljøet omkring atomet. Barrett og hans kolleger har netop målt styrken af ​​dette 'blackbody -strålingsskift' til urovergange i lutetium. Den seks måneders indsats, involverer en højeffektlaser som dem, der bruges til industriel skæring, gav et resultat for blackbody -strålingsskiftet for en energiovergang, der er tættere på nul end for ethvert etableret optisk atomur.

"Vi har endegyldigt vist, at lutetium er mindst følsom over for temperatur på alle etablerede atomure, "siger første forfatter Kyle Arnold. Det vil ikke kun gøre et laboratoriebaseret ur mere præcist, men også gøre ure, der kommer ud af laboratorierne, mere praktiske, giver dem mulighed for at operere i en bredere vifte af miljøer.

I tidligere papirer, teamet har rapporteret andre egenskaber ved lutetium, der er relevante for at bygge ure, finder ud af, at de kan konkurrere med nutidens bedste uratomer. "Hvis du kan bygge et godt virkelig ytterbiumur, du vil uundgåeligt bygge et bedre lutetiumur, eller i det mindste vil det være et lettere job for dig at bygge et lutetiumur, der er lige så godt, "siger Barrett. For nu, forskerne arbejder mod ure med enkeltioner, men i sidste ende, de vil gerne lave ure baseret på gitter eller netværk af mange ioner. De begynder med lutetium i løs form som en sølvhvid metalfolie, før de koger et par atomer af i deres apparat.

Teammedlemmerne er uvidende om andre grupper, der arbejder med lutetium. En af grundene til, at lutetium ikke blev prøvet, er, at det krævede en ny teknik, opdaget af Barrett og hans samarbejdspartnere, at annullere visse kilder til unøjagtighed i uret. Denne 'hyperfine gennemsnitsteknik' er beskrevet i tidligere papirer. "Jeg ser det ikke som alligevel en alt for teknisk, svær ting at gøre, men jeg tror, ​​at folk venter på at se, hvordan det fungerer, "siger Barrett.