JILA-fysiker har visat en ny atomurdesign som kombinerar nästan kontinuerlig drift med starka signaler och hög stabilitet, funktioner som inte tidigare funnits tillsammans i en enda typ av nästa generations atomur. Den nya klockan, som använder laser "pincett" för att fånga, kontrollera och isolera atomerna, erbjuder också unika möjligheter för att förbättra klockprestandan med hjälp av kvantfysikens knep.

Beskrivs i en artikel som publiceras online den 12 september av tidskriften Vetenskap , den nya klockplattformen är en uppsättning av upp till 10 strontiumatomer begränsade individuellt av 10 optiska pincett, som skapas av en infraröd laserstråle som riktas genom ett mikroskop och avböjs till 10 punkter.

JILA är ett gemensamt forsknings- och utbildningsinstitut som drivs av National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado Boulder.

Medan JILA-forskare ännu inte helt har utvärderat den nya klockans prestanda, preliminära data tyder på att designen är lovande. Pincettklockan är "i tjänst" och självverifierar sin prestanda 96 % av tiden eftersom den behöver lite stillestånd för att förbereda nya atomer, och atomerna är väl isolerade så att de är mindre benägna att störa varandra. Båda dessa styrkor delas med en av världens ledande klockor, en klocka baserad på en enda jon (elektriskt laddad atom). Pincettklockan kan också ge de starka signalerna och stabiliteten hos en multi-atom gitterklocka, som fångar atomer i ett rutnät av laserljus.

"Pcettdesignens långsiktiga löfte som en konkurrenskraftig klocka är rotad i dess unika balansering av dessa möjligheter, "JILA/NIST-fysikern och projektledaren Adam Kaufman sa.

Nästa generations atomklockor stabiliserar färgen, eller frekvens, av en laser till atomer som "tickar" mellan två energinivåer. Pincettklockan fångar och kontrollerar atomer individuellt för att bibehålla tickande stabilitet och upptäcker detta beteende utan att förlora dem, och därmed kan återanvända samma atomer många gånger utan att ständigt behöva ladda om nya.

Pincettdesignen tar upp olika problem med andra atomur, "Sa Kaufman. "Med vår teknik, vi kan hålla fast vid atomer och återanvända dem så länge som 16 sekunder, vilket förbättrar arbetscykeln – bråkdelen av tiden som spenderas med att använda atomernas tickande för att korrigera laserfrekvensen – och precision. Pincettklockan kan också få in en enstaka atom mycket snabbt i en fällplats, vilket innebär att det är mindre störningar och du får en stabilare signal under en längre tid."

NIST- och JILA-forskare har byggt nästa generations atomur i många år. Dessa klockor arbetar med optiska frekvenser, som är mycket högre än nuvarande tidsstandarder baserade på mikrovågsfrekvenser. Forskningen hjälper till att förbereda för den framtida internationella omdefinieringen av den andra, som har varit baserad på cesiumatomen sedan 1967. Optiska klockor har även tillämpningar utöver tidtagning som att mäta jordens form baserat på gravitationsmätningar (kallad geodesi), letar efter den svårfångade mörka materien som anses utgöra det mesta av materien i universum, och förbättra kvantinformationsvetenskap.

För att skapa pincettklockan, en infraröd laserstråle riktas in i ett mikroskop och fokuseras till en liten fläck. Radiovågor vid 10 olika frekvenser appliceras sekventiellt till en speciell deflektor för att skapa 10 ljuspunkter för att fånga individuella atomer. Fällorna fylls på med några sekunders mellanrum från ett förkylt moln av atomer som överlappas med pincettljuset.

Atomerna som hålls av pincetten exciteras av en laser stabiliserad av en kiselkristallhålighet, där ljuset studsar fram och tillbaka med en viss frekvens. Detta "klocklaser"-ljus – tillhandahållet av medförfattaren och NIST/JILA Fellow Jun Yes labb – appliceras vinkelrätt mot pincettljuset, tillsammans med ett applicerat magnetfält. Icke-destruktiv avbildning avslöjar om atomerna tickar ordentligt; atomerna avger bara ljus, eller fluorescera, när det är i lågenergitillstånd.

För många atomer i systemet kan leda till kollisioner som destabiliserar klockan, så för att bli av med extra atomer, forskarna applicerar en ljuspuls för att skapa svagt bundna molekyler, som sedan går sönder och undkommer fällan. Pincettställen lämnas antingen med en atom eller tomma; med varje körning av experimentet, varje pincett har ungefär 50 % chans att vara tom eller innehålla en enda atom. Att ha högst en atom per plats håller tickningen stabil under längre tidsperioder.

Som en vanlig metallpincett, laserpincetten erbjuder exakt kontroll, vilket gör det möjligt för forskare att variera avståndet mellan atomer och justera deras kvantegenskaper. Kaufman har tidigare använt en optisk pincett för att "trasssla in" två atomer, ett kvantfenomen som länkar deras egenskaper även på avstånd. Pincetten används för att excitera atomerna så att deras elektroner är svagare bundna till kärnan. Detta "fluffiga" tillstånd gör det lättare att fånga atomerna i motsatta interna magnetiska tillstånd som kallas spin upp och snurra ner. Sedan trasslar en process som kallas spinnutbyte in atomerna. Särskilda kvanttillstånd som intrassling kan förbättra mätningskänsligheten och kan därför förbättra klockprecisionen.

Forskargruppen planerar nu att bygga en större klocka och formellt utvärdera dess prestanda. Specifikt, forskarna planerar att använda fler pincett och atomer, med ett mål på cirka 150 atomer. Kaufman planerar också att lägga till förveckling, vilket skulle kunna förbättra klockkänsligheten och prestanda och, i en separat ansökan, kanske tillhandahålla en ny plattform för kvantberäkning och simulering.