Dipol-dipol-interaktioner:Observation af et nyt systematisk skift

I en ny undersøgelse offentliggjort i Science i dag har JILA og NIST (National Institute of Standards and Technology) stipendiat Jun Ye og hans forskerhold taget et væsentligt skridt i forståelsen af ​​de indviklede og kollektive lys-atom-interaktioner inden for atomure, de mest præcise ure i universet.

Ved hjælp af et kubisk gitter målte forskerne specifikke energiskift inden for rækken af ​​strontium-87-atomer på grund af dipol-dipol-interaktioner. Med en høj tæthed af atomer blev disse frekvensskift på mHz-niveau - kendt som kooperative Lamb-skift - spektroskopisk undersøgt. Disse skift blev undersøgt rumligt og sammenlignet med beregnede værdier ved hjælp af billeddannende spektroskopiteknikker udviklet i dette eksperiment.

Disse samarbejdsvillige Lamb-skift, opkaldt fordi tilstedeværelsen af ​​mange identiske atomer i et tæt afgrænset rum ændrer den elektromagnetiske tilstandsstruktur omkring dem, er en vigtig faktor, da antallet af atomer i ure fortsætter med at vokse.

"Hvis du kan forstå og kontrollere disse interaktioner med høj tæthed i dette gitter, kan du altid gøre gitteret større og større," forklarer JILA kandidatstuderende William Milner, avisens anden forfatter. "Det er en iboende skalerbar teknologi, vigtig for at forbedre urets ydeevne."

Tid i en terning

Atomure, der længe har været betragtet som højdepunktet af præcision, fungerer efter princippet om at måle frekvensen af ​​lys absorberet eller udsendt af atomer. Hvert kryds på disse ure er styret af svingningerne fra kvantesuperpositionen af ​​elektroner i disse atomer, stimuleret af den tilsvarende energi fra en sonderende laser. Laseren exciterer atomerne til en kvantetilstand kendt som urtilstanden.

Mens mere traditionelle optiske gitterure bruger et endimensionelt optisk gitter, der kun undertrykker atomernes bevægelser langs en stærkt begrænsende retning, begrænsede strontiumkvantegasuret, der blev brugt i denne undersøgelse, atomerne i alle retninger ved at placere dem i et kubisk arrangement. Mens brugen af ​​et 3D-gitter er en attraktiv urgeometri, kræver det også, at man forbereder en ultrakold kvantegas af atomer og omhyggeligt indlæser dem i gitteret.

"Det er mere kompliceret, men det har nogle unikke fordele, da systemet har flere kvanteegenskaber," uddyber Milner.

I kvantefysikken påvirker partiklernes rumlige arrangement kritisk deres adfærd. Med sin ensartethed og ligevægt skabte det kubiske gitter et kontrolleret miljø, hvor atomare interaktioner var observerbare og manipulerbare med hidtil uset præcision.

Se dipol-dipol-interaktioner

Ved at bruge det kubiske gitter var Ross Hutson (en nylig JILA Ph.D. graduate), Milner og de andre forskere i Ye-laboratoriet i stand til at lette og måle dipol-dipol-interaktionerne mellem strontiumatomerne. Disse skift, der normalt er så små, at de negligeres, opstår som følge af kollektiv interferens mellem atomerne, der opfører sig som dipoler, når de er forberedt i en superposition af de to urtilstande.

Fordi den rumlige rækkefølge af atomerne inden for det kubiske gitter påvirker den dipolære kobling, kunne forskere forstærke eller formindske dipol-interaktionerne ved at manipulere urlaserens vinkel i forhold til gitteret. Ved at operere i en særlig vinkel - Bragg-vinklen - forventede forskerne stærk konstruktiv interferens og observerede et tilsvarende større frekvensskift.

Ser på kooperative lammeskift

Med stærkere dipol-dipol-interaktioner, der forekommer i gitteret, fandt forskerne ud af, at disse interaktioner skabte lokale energiskift i hele ursystemet.

Disse energiskift, eller kooperative lammeskift, er meget små effekter, som normalt er svære at opdage. Når mange atomer er grupperet, såsom i et kubisk urgitter, bliver disse skift en kollektiv affære og afsløres af den nyligt opnåede urmålingspræcision. Hvis de ikke kontrolleres, kan de påvirke nøjagtigheden af ​​atomure.

"Disse [skift blev] oprindeligt foreslået tilbage i 2004 som en futuristisk ting at bekymre sig om [for urets nøjagtighed]," tilføjer Milner. "Nu er de pludselig mere relevante [i takt med at du tilføjer flere atomer til gitteret]."

Som om det ikke var interessant nok at måle disse skift, var det endnu mere interessant, at forskerne så, at de samarbejdsvillige Lamb-skift ikke var ensartede på tværs af gitteret, men varierede afhængigt af hvert atoms specifikke placering.

Denne lokale variation er signifikant for måling af uret:den indebærer, at frekvensen, hvormed atomer svinger, og dermed urets 'tikkende', kan variere en smule fra den ene del af gitteret til den anden. En sådan rumlig afhængighed af de kooperative lammeskift er et vigtigt systematisk skift at forstå, da forskere stræber efter at forbedre tidtagningspræcisionen.

"Ved at måle disse skift og se dem tilpasse sig vores forudsagte værdier, kan vi kalibrere uret til at være mere nøjagtigt," siger Milner.

Ud fra deres målinger indså holdet, at der var en tæt forbindelse mellem de kooperative lammeskift og udbredelsesretningen af ​​ursondelaseren inden for gitteret. Dette forhold gjorde det muligt for dem at finde en specifik vinkel, hvor en "nulkrydsning" blev observeret, og tegnet på frekvensskiftet gik over fra positiv til negativ.

"Det er en særlig kvantetilstand, der oplever nul kollektivt lammeskifte (lige overlejring af grundtilstand og ophidset tilstand)," forklarer JILA kandidatstuderende Lingfeng Yan. At lege med sammenhængen mellem laserudbredelsesvinklen i forhold til det kubiske gitter og de samarbejdsvillige Lamb-skift har gjort det muligt for forskerne at finjustere uret yderligere for at være mere robust mod disse energiskift.

Udforske anden fysik

Ud over at kontrollere og minimere disse dipol-dipol-interaktioner i det kubiske gitter, håber JILA-forskerne at bruge disse interaktioner til at udforske mange-kroppens fysik i deres ursystem.

"Der foregår noget virkelig interessant fysik, fordi du har disse interagerende dipoler," uddyber Milner, "Så folk, såsom Ross Hutson, har ideer til endda potentielt at bruge disse dipol-dipol-interaktioner til spinklemning [en type kvantesammenfiltring] for at lav endnu bedre ure."

Flere oplysninger: Ross B. Hutson et al., Observation of millihertz-level cooperative Lamb shifts in an optical atomic clock, Science (2024). DOI:10.1126/science.adh4477

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af JILA