Ny type atomur kunne hjælpe forskere med at opdage mørkt stof og undersøge tyngdekraftens effekt til tiden

Atomure er de mest præcise tidtagere i verden. Disse udsøgte instrumenter bruger lasere til at måle vibrationer i atomer, som svinger med en konstant frekvens, som mange mikroskopiske pendler, der svinger synkroniseret. De bedste atomure i verden holder tiden med en sådan præcision, at, hvis de havde kørt siden universets begyndelse, de ville kun være slukket med cirka et halvt sekund i dag.

Stadig, de kunne være endnu mere præcise. Hvis atomure mere præcist kunne måle atomvibrationer, de ville være følsomme nok til at opdage fænomener som mørkt stof og gravitationsbølger. Med bedre atomure, forskere kunne også begynde at besvare nogle mind-bøjende spørgsmål, såsom hvilken virkning tyngdekraften kan have på tidens gang, og om tiden selv ændrer sig, når universet ældes.

Nu kan en ny form for atomur designet af MIT -fysikere gøre det muligt for forskere at udforske sådanne spørgsmål og muligvis afsløre ny fysik.

Forskerne rapporterer i tidsskriftet Natur at de har bygget et atomur, der ikke måler en sky af tilfældigt oscillerende atomer, som state-of-the-art designs måler nu, men i stedet atomer, der er blevet kvantet viklet ind. Atomer er korreleret på en måde, der er umulig i henhold til lovene i klassisk fysik, og det gør det muligt for forskerne at måle atomernes vibrationer mere præcist.

Det nye setup kan opnå samme præcision fire gange hurtigere end ure uden sammenfiltring.

"Forvikling af forstærkede optiske atomure vil have potentiale til at nå en bedre præcision på et sekund end nuværende state-of-the-art optiske ure, "siger hovedforfatter Edwin Pedrozo-Peñafiel, en postdoc i MIT's Research Laboratory of Electronics.

Hvis state-of-the-art atomure blev tilpasset til at måle sammenfiltrede atomer, som MIT-teamets setup gør, deres timing ville forbedre sådan, at over hele universets alder, urene ville være mindre end 100 millisekunder fra.

Papirets andre medforfattere fra MIT er Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, og Vladan Vuletic, Lester Wolfe professor i fysik.

Frist

Siden mennesker begyndte at spore tidens gang, de har gjort det ved hjælp af periodiske fænomener, såsom solens bevægelse hen over himlen. I dag, vibrationer i atomer er de mest stabile periodiske begivenheder, som forskere kan observere. Desuden, et cæsiumatom vil svinge med nøjagtig samme frekvens som et andet cæsiumatom.

For at holde perfekt tid, ure ville ideelt spore svingningerne af et enkelt atom. Men i den skala, et atom er så lille, at det opfører sig i henhold til kvantemekanikkens mystiske regler:Når det måles, den opfører sig som en vendt mønt, der kun når den gennemsnitlige over mange vendinger giver de korrekte sandsynligheder. Denne begrænsning er, hvad fysikere omtaler som Standard Quantum Limit.

"Når du øger antallet af atomer, gennemsnittet givet af alle disse atomer går mod noget, der giver den korrekte værdi, "siger Colombo.

Det er derfor, at nutidens atomure er designet til at måle en gas, der består af tusinder af den samme type atom, for at få et skøn over deres gennemsnitlige svingninger. Et typisk atomur gør dette ved først at bruge et system af lasere til at korralere en gas af ultrakølede atomer i en fælde dannet af en laser. Et sekund, meget stabil laser, med en frekvens tæt på frekvensen af ​​atomernes vibrationer, sendes for at undersøge atomoscillationen og derved holde styr på tiden.

Og stadigvæk, Standard Quantum Limit er stadig på arbejde, hvilket betyder, at der stadig er en vis usikkerhed, selv blandt tusinder af atomer, om deres nøjagtige individuelle frekvenser. Det er her, Vuletic og hans gruppe har vist, at kvanteindvikling kan hjælpe. Generelt, kvanteindvikling beskriver en ikke -klassisk fysisk tilstand, hvor atomer i en gruppe viser korrelerede måleresultater, selvom hvert enkelt atom opfører sig som en tilfældig kast af en mønt.

Teamet begrundede, at hvis atomer er sammenfiltrede, deres individuelle svingninger ville stramme op omkring en fælles frekvens, med mindre afvigelse, end hvis de ikke var viklet ind. De gennemsnitlige svingninger, som et atomur ville måle, derfor, ville have en præcision ud over Standard Quantum Limit.

Indviklede ure

I deres nye atomur, Vuletic og hans kolleger forvirrer omkring 350 atomer af ytterbium, som svinger ved samme meget høje frekvens som synligt lys, hvilket betyder, at ethvert atom vibrerer 100, 000 gange oftere på et sekund end cæsium. Hvis ytterbiums svingninger kan spores præcist, forskere kan bruge atomerne til at skelne stadig mindre tidsintervaller.

Gruppen brugte standardteknikker til at afkøle atomerne og fange dem i et optisk hulrum dannet af to spejle. De sendte derefter en laser gennem det optiske hulrum, hvor det ping-pong mellem spejlene, interagerer med atomerne tusinder af gange.

"Det er som om lyset fungerer som en kommunikationsforbindelse mellem atomer, "Shu forklarer." Det første atom, der ser dette lys, vil ændre lyset lidt, og det lys ændrer også det andet atom, og det tredje atom, og gennem mange cyklusser, atomerne kender hinanden kollektivt og begynder at opføre sig ens. "

På denne måde, forskerne sammenfiltrer kvantisk atomerne, og brug derefter en anden laser, ligner eksisterende atomure, at måle deres gennemsnitlige frekvens. Da teamet kørte et lignende eksperiment uden at sammenfiltre atomer, de fandt ud af, at atomuret med sammenfiltrede atomer nåede en ønsket præcision fire gange hurtigere.

"Du kan altid gøre uret mere præcist ved at måle længere, "Vuletic siger." Spørgsmålet er, hvor lang tid har du brug for at nå en bestemt præcision. Mange fænomener skal måles på hurtige tidsskalaer. "

Han siger, at hvis dagens state-of-the-art atomure kan tilpasses til at måle kvantisk sammenfiltrede atomer, de ville ikke kun holde bedre tid, men de kunne hjælpe med at tyde signaler i universet såsom mørkt stof og tyngdekraftsbølger, og begynd at besvare nogle ældgamle spørgsmål.

"Når universet ældes, ændrer lysets hastighed sig? Ændrer elektronens ladning? "Siger Vuletic." Det er det, du kan sondre med mere præcise atomure. "