JILA -fysiker har skapat en helt ny design för en atomur, där strontiumatomer packas in i en liten tredimensionell (3-D) kub vid 1, 000 gånger densiteten hos tidigare endimensionella (1-D) klockor. Genom att göra så, de är de första som utnyttjar det ultrakontrollerade beteendet hos en så kallad "kvantgas" för att göra en praktisk mätanordning.

Med så många atomer helt immobiliserade på plats, JILAs kubiska kvantgasklocka sätter rekord för ett värde som kallas "kvalitetsfaktor" och den resulterande mätprecisionen. En stor kvalitetsfaktor leder till en hög synkroniseringsnivå mellan atomerna och lasrarna som används för att sondera dem, och gör klockans "fästingar" rena och stabila under en ovanligt lång tid, vilket ger högre precision.

Tills nu, var och en av de tusentals "tickande" atomerna i avancerade klockor beter sig och mäts i stort sett oberoende. I kontrast, den nya kubiska kvantgasklockan använder en globalt interagerande samling av atomer för att begränsa kollisioner och förbättra mätningar. Det nya tillvägagångssättet lovar att inleda en epok med dramatiskt förbättrade mätningar och teknik inom många områden baserat på kontrollerade kvantsystem.

Den nya klockan beskrivs i 6 oktober -numret av Vetenskap .

"Vi går in i en riktigt spännande tid när vi kan kvantkonstruera ett materiellt tillstånd för ett visst mätningssyfte, "sa fysikern Jun Ye från National Institute of Standards and Technology (NIST). Du arbetar på JILA, som drivs gemensamt av NIST och University of Colorado Boulder.

Klockans mittpunkt är ett ovanligt tillstånd av materia som kallas en degenererad Fermigas (en kvantgas för Fermipartiklar), skapades första gången 1999 av Yes avlidna kollega Deborah Jin. Alla tidigare atomur har använt termiska gaser. Användningen av en kvantgas gör att alla atoms egenskaper kan kvantiseras, eller begränsad till specifika värden, för första gången.

"Den viktigaste potentialen för 3D-kvantgasklockan är förmågan att skala upp atomnumren, vilket kommer att leda till en enorm vinst i stabilitet, "Ni sa." Också, vi kunde nå det perfekta tillståndet att köra klockan med sin fulla sammanhållningstid, som hänvisar till hur länge en serie fästingar kan förbli stabila. Möjligheten att skala upp både atomnummer och koherenstid kommer att göra den här nya generationens klocka kvalitativt annorlunda än den tidigare generationen. "

Tills nu, atomur har behandlat varje atom som en separat kvantpartikel, och interaktioner mellan atomerna gav mätproblem. Men en konstruerad och kontrollerad samling, ett "kvantmångkroppssystem, "ordnar alla sina atomer i ett visst mönster, eller korrelation, för att skapa det lägsta totala energitillståndet. Atomerna undviker då varandra, oavsett hur många atomer som läggs till klockan. Atomgasen förvandlar sig effektivt till en isolator, som blockerar interaktioner mellan beståndsdelar.

Resultatet är en atomklocka som kan överträffa alla föregångare. Till exempel, stabilitet kan ses som hur exakt varaktigheten för varje fästing matchar alla andra fästingar, som är direkt kopplad till klockans mätprecision. Jämfört med Yes tidigare 1-D-klockor, den nya 3D-kvantgasklockan kan nå samma precision mer än 20 gånger snabbare på grund av det stora antalet atomer och längre sammanhängande tider.

Experimentella data visar att 3D-kvantgasklockan uppnådde en precision på bara 3,5 delar fel på 10 kvintiljoner (1 följt av 19 nollor) på cirka 2 timmar, vilket gör den till den första atomklockan som någonsin når den tröskeln (19 nollor). "Detta representerar en betydande förbättring jämfört med tidigare demonstrationer, "Sa ni.

Den äldre, 1-D-versionen av JILA-klockan var, tills nu, världens mest exakta klocka. Denna klocka rymmer strontiumatomer i en linjär uppsättning pannkakeformade fällor bildade av laserstrålar, kallas ett optiskt gitter. Den nya 3D-kvantgasklockan använder ytterligare lasrar för att fånga atomer längs tre axlar så att atomerna hålls i ett kubikarrangemang. Denna klocka kan hålla stabila fästingar i nästan 10 sekunder med 10, 000 strontiumatomer fångade med en densitet över 10 biljoner atomer per kubikcentimeter. I framtiden, klockan kan kanske mäta miljontals atomer i mer än 100 sekunder åt gången.

Optiska gitterklockor, trots deras höga prestanda i 1-D, måste hantera en avvägning. Klockstabiliteten kan förbättras ytterligare genom att öka antalet atomer, men en högre densitet av atomer uppmuntrar också till kollisioner, ändra frekvenserna vid vilka atomerna tickar och minska klockans noggrannhet. Sammanhållningstider begränsas också av kollisioner. Det är här fördelarna med mångkroppskorrelationen kan hjälpa.

3D-gitterdesignen-föreställ dig en stor äggkartong-eliminerar den avvägningen genom att hålla atomerna på plats. Atomerna är fermioner, en klass av partiklar som inte kan vara i samma kvanttillstånd och plats på en gång. För en Fermi -kvantgas under klockans driftsförhållanden, kvantmekanik gynnar en konfiguration där varje enskild gitterplats är upptagen av endast en atom, vilket förhindrar frekvensskift som induceras av atomiska interaktioner i 1-D-versionen av klockan.

JILA-forskare använde en ultrastabil laser för att uppnå en rekordnivå av synkronisering mellan atomer och lasrar, uppnå en rekordhög kvalitetsfaktor på 5,2 kvadriljoner (5,2 följt av 15 nollor). Kvalitetsfaktor avser hur länge en oscillation eller vågform kan bestå utan att försvinna. Forskarna fann att atomkollisioner reducerades så att deras bidrag till frekvensskift i klockan var mycket mindre än i tidigare experiment.

"Den här nya strontiumklockan som använder en kvantgas är en tidig och häpnadsväckande framgång i den praktiska tillämpningen av den" nya kvantrevolutionen, 'kallas ibland' quantum 2.0 ', "sa Thomas O'Brian, chef för NIST Quantum Physics Division och Yes handledare. "Detta tillvägagångssätt har ett enormt löfte för NIST och JILA att utnyttja kvantkorrelationer för ett brett spektrum av mätningar och ny teknik, långt bortom tidpunkten. "

Beroende på mätmål och applikationer, JILA -forskare kan optimera klockans parametrar som driftstemperatur (10 till 50 nanokelvin), atomnummer (10, 000 till 100, 000), och kubens fysiska storlek (20 till 60 mikrometer, eller miljondelar av en meter).

Atomklockor har länge gått framåt inom mätvetenskapens gräns, inte bara inom tidtagning och navigering utan även i definitioner av andra måttenheter och andra forskningsområden, till exempel vid bordssökningar efter den saknade "mörka materien" i universum.

National Bureau of Standards, nu NIST, uppfann den första atomklockan 1948.