JILA -forskare har uppfunnit en ny bildteknik som ger snabb, exakta mätningar av kvantbeteende i en atomklocka i form av nästan omedelbar bildkonst.

Tekniken kombinerar spektroskopi, som extraherar information från interaktioner mellan ljus och materia, med högupplöst mikroskopi.

Som beskrivs i Fysiska granskningsbrev , JILA-metoden gör rumsliga kartor över energiförskjutningar mellan atomerna i en tredimensionell strontiumgaller atomklocka, tillhandahålla information om varje atoms plats och energinivå, eller kvanttillstånd.

Tekniken mäter snabbt fysiska effekter som är viktiga för atomur, vilket förbättrar klockans precision, och det kan lägga till nya detaljer på atomnivå i studier av fenomen som magnetism och supraledning. I framtiden, metoden kan tillåta forskare att äntligen se ny fysik som kopplingen mellan kvantfysik och gravitation.

JILA drivs gemensamt av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

"Denna teknik gör att vi kan skriva en bit vacker" musik "med laserljus och atomer, och sedan kartlägga det till en struktur och frysa det som en sten så att vi kan titta på enskilda atomer som lyssnar på laserens olika toner, läs upp direkt som en bild, "JILA/NIST -stipendiat Jun Ye sa.

Atomerna finns i en så kallad kvantegenererad gas, där ett stort antal atomer interagerar med varandra. Detta "quantum many-body" -fenomen utvidgar mätprecision till nya ytterligheter.

För att förbereda atomer för ett skönhetsskott, forskare använder en laserpuls för att köra cirka 10, 000 strontiumatomer från deras lågenergiska grundtillstånd till en högenergi, upphetsat tillstånd. Sedan, en blå laser placerad under gallret lyser uppåt vertikalt genom atomerna, och en kamera tar en bild av skuggan som atomerna kastar, vilket är en funktion av hur mycket ljus de absorberar. Jordatomer absorberar mer ljus.

De resulterande bilderna är falskfärgade representationer av atomer i grundtillståndet (blått) och upphetsat tillstånd (rött). Den vita regionen representerar atomer i en fin blandning av cirka 50 procent rött och 50 procent blått, skapa en dappled effekt. Detta inträffar eftersom dessa atomer ursprungligen framställdes i ett kvanttillstånd av superposition, eller både jordade och upphetsade tillstånd samtidigt, och bildmätningen föranleder en kollaps i ett av de två tillstånden, som skapar "brus" i bilden.

Som en demonstration, JILA -teamet skapade en serie bilder för att kartlägga små frekvensskift, eller fraktioner av atomer i exciterat tillstånd, över olika delar av gallret. Möjligheten att göra samtidiga jämförelser förbättrar precision och hastighet vid mätningar av en grupp atomer. Forskarna rapporterade att uppnå en rekordprecision i mätfrekvensen 2,5 x 10-19 (fel på bara 0,25 delar per miljard miljarder) på 6 timmar. Bildspektroskopi förväntas avsevärt förbättra precisionen hos JILA -atomklockan, och andra atomur i allmänhet.

Bildspektroskopi ger information om atomernas lokala miljö, liknande den otroliga upplösningen som skannar tunnelmikroskopi. Än så länge, metoden har använts för att producera tvådimensionella bilder, men det kan göra 3D-bilder baserade på lager-för-lager-mätningar som görs i tomografi, som kombinerar flera tvärsnitt av fasta föremål, Sa ni.

Ett slags konstgjord kristall, atomernas gitter kan också användas som en magnetisk eller gravitationssensor för att testa samspelet mellan olika fysikområden. Ni är mest upphetsade över den framtida möjligheten att använda atomerna i klockan som en gravitationssensor, för att se hur kvantmekanik, som fungerar på mycket små rumsliga skalor, interagerar med allmän relativitet, gravitationsteorin, en makroskopisk kraft.

"När klockan blir bättre de närmaste 20 åren, denna lilla kristall kunde inte bara kartlägga hur gravitationen påverkar frekvensen, men vi kunde också börja se samspelet mellan gravitation och kvantmekanik, "Ni sa." Detta är en fysisk effekt som ingen experimentell sond någonsin har mätt. Denna bildteknik kan bli ett mycket viktigt verktyg. "