Den magiske bølgelængde af cadmium

Forskere bestemte eksperimentelt en egenskab ved cadmium kaldet den magiske bølgelængde, som anses for at være afgørende for udviklingen af ​​de mest nøjagtige ure, der nogensinde er forudset. Forskerne håber, at dette kan tillade enkle og robuste atomure så præcise, at de kan bruges til at forbedre vores forståelse af nuværende teorier og endda teste for ny fysik.

Hvad tid gør du det? Hvad med nu? Tiden ændrer sig konstant, men den ændrer sig ikke konstant. Det lyder forvirrende, men siden Einsteins tid har vi vidst, at tiden skrider frem med forskellige hastigheder afhængigt af, hvor du er. Dette skyldes hovedsageligt virkningen af ​​tyngdekraften, jo stærkere tyngdekraften er i din nærhed, jo langsommere skrider tiden frem i forhold til, hvor tyngdekraften er svagere. For os er denne forskel umærkelig, men meget nøjagtige atomure kan måle det.

Disse umærkelige forskelle i tidens hastighed er dog langt fra trivielle. Nøjagtige målinger af tid kan faktisk hjælpe forskere med at måle andre tilsvarende mængder, der relaterer sig til, hvordan tiden flyder på et bestemt sted. For eksempel givet den måde øget tyngdekraft ændrer tidens gang, materialetætheden under dine fødder kunne måles nøjagtigt med et tilstrækkeligt præcist ur. Og denne form for information kunne være nyttig for dem, der studerer vulkaner, pladetektonik og jordskælv.

Imidlertid, at måle tid med de nøjagtigheder, der kræves til sådanne formål, er en uhyre kompleks udfordring. Topmoderne atomure baseret på vibrationer af atomer som cæsium, for eksempel, operere med en usikkerhed – det modsatte af nøjagtighed – i området 1 x 10 ^-16 eller med 16 decimaler. Dette er ekstremt præcist til måling af afstand, og bruges således i den nuværende globale positioneringssystem (GPS) teknologi. Men forskere stræber efter endnu større nøjagtighed, og én slags ur kan muligvis tilbyde usikkerheder så lave som 1 x 10 ^-19 eller med 19 decimaler. Det optiske gitterur lover at tilbyde en sådan nøjagtighed.

Først foreslået af professor Hidetoshi Katori fra Institut for Anvendt Fysik i 2001, ideen er at fange et stort antal atomer i et gitter af lasere. Med mange atomer fanget kan deres vibrationer måles samtidigt, hvilket i høj grad forbedrer nøjagtigheden af ​​målingen af ​​tid. Isotoper af cadmium er ideelle, da de har nogle egenskaber, som hjælper med at reducere støj i denne form for kvantesystem. Men for at skabe et ur baseret på dette princip er der flere forhindringer at overvinde, og forskere har lige sprunget en.

"Vi bestemte eksperimentelt den såkaldte 'magiske bølgelængde' for cadmium, som er en af ​​de væsentlige parametre for at betjene det optiske gitterur, "sagde forsker Atsushi Yamaguchi fra RIKEN." I et gitterur er det optiske gitter skabt af interferensmønstre af laserlys, hvis bølgelængde er relateret til de atomer gitteret skal holde. Den optimale eller 'magiske' bølgelængde til at konstruere et gitter omkring cadmium-isotoper er omkring 419,88 nanometer, hvilket er næsten præcis den værdi af 420,10 nanometer, vi oprindeligt forudsagde."

Et vigtigt træk ved Cadmium -isotoper, som gør dem ideelle til gitterure, er, at de er mere robuste over for ændringer i deres miljø end mange andre atomer og isotoper. En applikation, forskere sigter efter, er evnen til at foretage målinger på forskellige steder med den samme enhed, hvilket betyder, at den skal være forholdsvis bærbar, så det hjælper at være robust. Med teorien på plads, forskere ønsker nu at evaluere ydelsen af ​​et sådant ur.

"Omhyggelig og detaljeret evaluering er påkrævet, så forskere inden for forskellige områder kan gøre brug af dette højpræcisionsinstrument, " forklarede Katori. "Sådan en enhed vil give os chancen for at studere og måske en dag udfordre etablerede ideer i kosmologi såsom generel relativitetsteori og måske endda naturens grundlæggende konstanter."