Superstrålende atomer kunne skubbe grænserne for, hvor præcist tid kan måles

Superstrålende atomer kan hjælpe os med at måle tid mere præcist end nogensinde før. I en nylig undersøgelse præsenterer forskere fra Københavns Universitet en ny metode til at måle tidsintervallet, den anden, der afbøder nogle af de begrænsninger, som nutidens mest avancerede atomure møder. Resultatet kan have brede implikationer inden for områder som rumrejser, vulkanudbrud og GPS-systemer.

Den anden er den mest præcist definerede måleenhed sammenlignet med andre basisenheder såsom kilogram, meter og grad Kelvin. Tiden måles i øjeblikket af atomure forskellige steder rundt om i verden, som tilsammen fortæller os, hvad klokken er. Ved hjælp af radiobølger sender atomure konstant signaler, der synkroniserer vores computere, telefoner og armbåndsure.

Oscillationer er nøglen til at holde tid. I et bedstefars ur er disse svingninger fra et penduls svingning fra side til side hvert sekund, mens det i et atomur er en laserstråle, som svarer til en energiovergang i strontium og svinger omkring en million milliarder gange i sekundet.

Men ifølge ph.d. stipendiat Eliot Bohr fra Niels Bohr Institutet – oldebarn af Niels Bohr – selv atomure kunne blive mere præcise. Dette skyldes, at detektionslaseren, der bruges af de fleste moderne atomure til at aflæse atomernes oscillation, opvarmer atomerne så meget, at de undslipper – hvilket forringer præcisionen.

"Fordi atomerne hele tiden skal udskiftes med friske nye atomer, mens nye atomer bliver klargjort, taber uret lidt tid. Derfor forsøger vi at overvinde nogle af de nuværende udfordringer og begrænsninger ved verdens bedste atomure ved at blandt andet genbruge atomerne, så de ikke skal udskiftes så ofte,« forklarer Bohr, der var ansat på Niels Bohr Institutet, da han forskede, men som nu er ph.d. stipendiat ved University of Colorado.

Han er hovedforfatter til en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications , som bruger en innovativ og måske mere effektiv måde at måle tid på.

Overstråling og afkøling til det absolutte nul

Den nuværende metode består af en varm ovn, der spytter omkring 300 millioner strontiumatomer ind i en ekstraordinært kølig kugle af kolde atomer kendt som en magneto-optisk fælde eller MOT. Temperaturen af ​​disse atomer er cirka -273°C - meget tæt på det absolutte nulpunkt - og der er to spejle med et lysfelt imellem dem for at forbedre atomernes interaktioner. Sammen med sine forskerkolleger har Bohr udviklet en ny metode til at udlæse atomerne.

"Når atomerne lander i vakuumkammeret, ligger de helt stille, fordi det er så koldt, hvilket gør det muligt at registrere deres svingninger med de to spejle i modsatte ender af kammeret," forklarer Bohr.

Grunden til, at forskerne ikke behøver at opvarme atomerne med en laser og ødelægge dem, er takket være et kvantefysisk fænomen kendt som "superradiance". Fænomenet opstår, når gruppen af ​​strontiumatomer er sammenfiltret og samtidig udsender lys i feltet mellem de to spejle.

"Spejlene får atomerne til at opføre sig som en enkelt enhed. Tilsammen udsender de et kraftigt lyssignal, som vi kan bruge til at udlæse atomtilstanden, et afgørende skridt til at måle tid. Denne metode opvarmer atomerne minimalt, så det hele sker uden at erstatte atomerne, og det har potentialet til at gøre det til en mere præcis målemetode," forklarer Bohr.

GPS, rummissioner og vulkanudbrud

Ifølge Bohr kan det nye forskningsresultat være gavnligt for at udvikle et mere præcist GPS-system. Faktisk har de omkring 30 satellitter, der konstant kredser om Jorden og fortæller os, hvor vi er, brug for atomure til at måle tiden.

"Når satellitter bestemmer positionen af ​​din telefon eller GPS, bruger du et atomur i en satellit. Atomurenes præcision er så vigtig, at Hvis det atomur er slukket med et mikrosekund, betyder det en unøjagtighed på omkring 100 meter. på jordens overflade," forklarer Bohr.

Fremtidige rummissioner er et andet område, hvor forskeren forudser, at mere præcise atomure vil have en betydelig indflydelse.

"Når mennesker og håndværk sendes ud i rummet, vover de sig endnu længere væk fra vores satellitter. Derfor er kravene til præcise tidsmålinger for at navigere i rummet meget større," siger han.

Resultatet kunne også være nyttigt i udviklingen af ​​en ny generation af mindre, bærbare atomure, der kunne bruges til mere end "bare" at måle tid.

"Atomure er følsomme over for gravitationsændringer og kan derfor bruges til at detektere ændringer i Jordens masse og tyngdekraft, og det kan hjælpe os med at forudsige, hvornår vulkanudbrud og jordskælv vil forekomme," siger Bohr.

Bohr understreger, at selvom den nye metode, der bruger superstrålende atomer, er meget lovende, er den stadig et "proof of concept", som trænger til yderligere forfining.

Forskningen er udført af teamet af Jörg Helge Müller og Jan Thomsen ved Niels Bohr Institutet i samarbejde med ph.d. studerende Sofus Laguna Kristensen og Julian Robinson-Tait, og postdoc Stefan Alaric Schäffer. Projektet omfattede også bidrag fra teoretikere Helmut Ritsch og Christoph Hotter fra University of Innsbruck, samt Tanya Zelevinsky fra Columbia University. Dette arbejde understreger vigtigheden af ​​internationalt samarbejde inden for videnskaberne.

Flere oplysninger: Eliot A. Bohr et al., Kollektivt forbedrede Ramsey-udlæsning ved hulrum under- til superradiant-overgang, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45420-x

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Københavns Universitet