Teams større og bedre pincetur er superstabilt

JILA -fysikere har øget signalstyrken i deres atomiske "pincetur" og målt dens ydeevne delvist for første gang, demonstrerer høj stabilitet tæt på det bedste fra den seneste generation af atomure.

Det usædvanlige ur, som bruger laserpincet til at fange, kontrollere og isolere atomer, tilbyder unikke muligheder for at forbedre urets ydeevne ved hjælp af kvantfysikkens tricks samt fremtidige applikationer inden for kvanteinformationsbehandling, kvantesimulering, og målevidenskab.

Beskrevet i en Natur papir udgivet online 16. december, urplatformen er et rektangulært gitter med omkring 150 strontiumatomer begrænset individuelt af optisk pincet, som er skabt af en laserstråle rettet gennem et mikroskop og afbøjet til 320 pletter. Denne opgraderede version af uret har op til 30 gange så mange atomer som det foreløbige design, der blev afsløret sidste år, hovedsagelig på grund af brugen af ​​flere forskellige lasere, herunder en grøn for at fange atomerne og to røde for at få dem til at "krydse".

Når laseren først begyndte atomer at tikke i de eksperimenter, der er beskrevet i papiret, et udvalg af disse atomer blev ved med at vibrere i fællesskab ved samme frekvens i mere end 30 sekunder, en rekord for det, der kaldes kvantesammenhæng. Det store antal atomer og deres lange sammenhængstider resulterede i fremragende urstabilitet på 5,2 x 10-17at 1 sekund i gennemsnitstid. Dette betyder, at varigheden af ​​hvert ur "kryds" matcher de andre til inden for omkring 1,9 quintillionths af et sekund.

Forskere målte stabiliteten ved at sammenligne to forskellige regioner inden i pincet, bemærker, at denne forestilling nærmer sig den for JILAs 3-D strontium gitterur, som den interne sammenligningsmetode oprindeligt blev udviklet til. Stabiliteten af ​​3D-system blev senere verificeret med en mere konventionel sammenligning mellem to optiske gitterure.

JILA drives i fællesskab af National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder.

"Et af de vigtige gennembrud i dette arbejde var, at vi fandt ud af en metode til at forberede mange atomer og samtidig bevare kvantesammenhæng, "NIST/JILA-fysikeren Adam Kaufman sagde." Dette var nøglen til at tillade en 30-foldning af atomantallet i forhold til sidste år, som også tillod atomnummer tilstrækkeligt til selvsammenligninger og observation af den lange sammenhængstid. Men, ud over ure, denne kombination af skalerbarhed, sammenhæng, og enkeltpartikelkontrol opretter også dette system til kvanteinformationsbehandling og simulering. "

NIST- og JILA -forskere har bygget atomure i mange år. De nyeste 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 tidtagning såsom forstærkning af kvanteinformationsvidenskab.

Pinceturet kombinerer nogle af de mest ønskelige funktioner ved optiske ure, der aktuelt fungerer. For eksempel, som almindelig metalpincet, laserpincetten tilbyder præcis kontrol af, I dette tilfælde, individuelle atomer. Pinceturet giver også de stærke signaler og stabilitet, som mange atomer leverer - hundredvis nu og sigter mod mere end tusind pincet i fremtiden.

For at lave uret, forskere indlæser en afkølet sky af atomer i deres laveste energitilstand i en rektangulær, todimensionalt array med 320 pincetter (16 x 20) dannet af en grøn laser. Overlappende pincet er to krydsede laserstråler, der skaber en stående bølge kaldet et optisk gitter. Det optiske gitter reducerer kravene til pincetens strøm til 1/30 af deres oprindelige niveau. En ny sky af atomer fylder pincetten op igen med få sekunders mellemrum. En filtreringsproces efterlader pincetsteder med enten et atom eller tomt; ved hver kørsel af eksperimentet, hver pincet har omkring 50% chance for at indeholde et enkelt atom.

Forskerne slukker derefter den grønne laser og gitter og skifter til en rød pincetlaser, som kræver mere strøm, men er befordrende for urets adfærd. Atomerne i pincetten er spændt på en lyserød "urlaser" påført vinkelret på pincettens lys, sammen med et magnetfelt. Urlaseren ophidser atomerne, som begynder at tikke mellem to interne energiniveauer. Endelig, den grønne pincet tændes igen, og et kamera registrerer atomernes tilstand; de fluorescerer kun ved det lave energiniveau, så tikken registreres som blinkende lys og kan konverteres til et tidssignal.

Ud over tidtagning, JILA -forskere er begejstrede for at bruge pincetplatformen til andre applikationer såsom kvanteberegning og simulering og programmerbare kvantesensorer. Optisk pincet kan bruges til at "sammenfiltre" atomer, et kvantefænomen, der forbinder deres egenskaber selv på afstand. Særlige kvantetilstande som sammenfiltring kan forbedre målefølsomheden for ure og sensorer og kan også bruges i kvantelogiske operationer og simuleringer af kvanteprocesser.

"Jeg synes, man virkelig bør se ud over ure efter denne nye platform, "NIST/JILA Fellow og medforfatter Jun Ye sagde." Med evnen til at kunne adressere hvert enkelt atom, man kan bringe programmerbarhed ind i kvanteføling og informationsbehandling, en funktion, der vil være kraftfuld til at optimere systemet til specifikke opgaver. "