JILAs nye atomur -design tilbyder pincetstyring

JILA-fysikere har demonstreret et nyt atomurdesign, der kombinerer næsten kontinuerlig drift med stærke signaler og høj stabilitet, funktioner, der ikke tidligere er fundet sammen i en enkelt type næste generations atomur. Det nye ur, som bruger laser "pincet" til at fange, kontrollere og isolere atomerne, tilbyder også unikke muligheder for at forbedre urets ydeevne ved hjælp af kvantfysikkens tricks.

Beskrevet i et papir, der skal udgives online den 12. september af tidsskriftet Videnskab , den nye urplatform er en række med op til 10 strontiumatomer, der er begrænset individuelt af 10 optiske pincetter, som er skabt af en infrarød laserstråle rettet gennem et mikroskop og afbøjet til 10 pletter.

JILA er et fælles forsknings- og uddannelsesinstitut, der drives af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

Mens JILA -forskere endnu ikke har evalueret det nye urs ydeevne fuldt ud, foreløbige data tyder på, at designet er lovende. Pinceturet er "på vagt" og verificerer sin ydeevne 96% af tiden, fordi det har brug for lidt nedetid for at forberede nye atomer, og atomerne er godt isolerede, så de er mindre tilbøjelige til at forstyrre hinanden. Begge disse styrker deles med et af verdens førende ure, et ur baseret på en enkelt ion (elektrisk ladet atom). Pinceturet kan også levere de stærke signaler og stabilitet af et multi-atom gitterur, som fanger atomer i et gitter med laserlys.

"Pincettdesignets langsigtede løfte som et konkurrencedygtigt ur er forankret i dets unikke afvejning af disse muligheder, "JILA/NIST -fysiker og projektleder Adam Kaufman sagde.

Næste generations atomure stabiliserer farven, eller frekvens, af en laser til atomer, der "tikker" mellem to energiniveauer. Pincettens ur fanger og styrer atomer individuelt for at opretholde tikkende stabilitet og registrerer denne adfærd uden at miste dem, og dermed kan genbruge de samme atomer mange gange uden konstant at skulle genindlæse nye.

"Pincettens design løser forskellige problemer med andre atomure, "Sagde Kaufman." Ved hjælp af vores teknik, vi kan holde på atomer og genbruge dem så længe som 16 sekunder, hvilket forbedrer arbejdscyklussen - brøkdelen af ​​den tid, der bruges på at bruge atomernes kryds til at korrigere laserfrekvensen - og præcision. Pinceturet kan også få et enkelt atom meget hurtigt ind i et fældested, hvilket betyder, at der er mindre interferens, og du får et mere stabilt signal i længere tid. "

NIST- og JILA-forskere har i mange år bygget næste generations atomure. Disse ure fungerer ved optiske frekvenser, som er meget højere end de nuværende tidsstandarder baseret på mikrobølgefrekvenser. Forskningen hjælper med at forberede den fremtidige internationale omdefinering af den anden, som har været baseret på cæsiumatomet siden 1967. Optiske ure har også anvendelser ud over tidstælling såsom måling af Jordens form baseret på tyngdekraftmålinger (kaldet geodesi), søger efter det undvigende mørke stof, der menes at udgøre det meste af sagen i universet, og forbedring af kvanteinformationsvidenskab.

For at oprette en pincet ur, en infrarød laserstråle er rettet ind i et mikroskop og fokuseret på et lille sted. Radiobølger ved 10 forskellige frekvenser påføres sekventielt på en særlig deflektor for at skabe 10 lyspunkter til indfangning af individuelle atomer. Fælderne genfyldes hvert par sekunder fra en forkølet sky af atomer, der overlapper pincettens lys.

Atomer i pincetten er spændt på en laser stabiliseret af et siliciumkrystalhulrum, hvor lyset hopper frem og tilbage med en bestemt frekvens. Dette "urlaser" lys-leveret af medforfatter og NIST/JILA Fellow Jun Yes laboratorium-påføres vinkelret på pincettens lys, sammen med et påført magnetfelt. Ikke-destruktiv billeddannelse afslører, om atomerne tikker korrekt; atomerne udsender kun lys, eller fluorescens, når den er i lavere energitilstand.

For mange atomer i systemet kan føre til kollisioner, der destabiliserer uret, så for at slippe af med ekstra atomer, forskerne anvender en lyspuls til at skabe svagt bundne molekyler, som derefter går i stykker og slipper fra fælden. Pincetsteder efterlades enten med et atom eller tomt; ved hver kørsel af eksperimentet, hver pincet har omkring 50% chance for at være tom eller indeholde et enkelt atom. At have højst et atom pr. Sted holder tikkende stabilt i længere tidsperioder.

Som almindelig metalpincet, laserpincetten tilbyder præcis kontrol, som gør det muligt for forskere at variere afstanden mellem atomer og justere deres kvanteegenskaber. Kaufman har tidligere brugt optisk pincet til at "sammenfiltre" to atomer, et kvantefænomen, der forbinder deres egenskaber selv på afstand. Pincetten bruges til at ophidse atomerne, så deres elektroner er svagere bundet til kernen. Denne "fluffy" tilstand gør det lettere at fange atomerne i modsatte indre magnetiske tilstande kaldet spin up and spin down. Så sammenfiltrer en proces kaldet spin -udveksling atomerne. Særlige kvantetilstande som sammenfiltring kan forbedre målefølsomheden og dermed øge urets præcision.

Forskergruppen planlægger nu at bygge et større ur og formelt evaluere dets ydeevne. Specifikt, forskerne planlægger at bruge flere pincetter og atomer, med et mål på omkring 150 atomer. Kaufman planlægger også at tilføje forvikling, hvilket kunne forbedre urets følsomhed og ydeevne og, i en separat ansøgning, måske give en ny platform til kvanteberegning og simulering.