Forskare bestämde experimentellt en egenskap av kadmium som kallas den magiska våglängden som anses vara avgörande för utvecklingen av de mest exakta klockorna som någonsin tänkts. Forskarna hoppas att detta kan tillåta enkla och robusta atomur så exakt att de kan användas för att förbättra vår förståelse av nuvarande teorier och till och med testa för ny fysik.

Vilken tid hinner du? Vad sägs om nu? Tiden förändras hela tiden men den förändras inte hela tiden. Det låter förvirrande, men sedan Einsteins tid har vi vetat att tiden utvecklas i olika takt beroende på var du befinner dig. Detta beror främst på tyngdkraftens effekt, ju starkare tyngdkraften är i din närhet desto långsammare tid går i förhållande till där gravitationen är svagare. För oss är denna skillnad omärklig, men mycket exakta atomur kan mäta det.

Dessa omärkliga skillnader i tidens hastighet är dock långt ifrån triviala. Noggranna mätningar av tid kan faktiskt hjälpa forskare att mäta andra motsvarande mängder som relaterar till hur tiden flyter på en specifik plats. Till exempel med tanke på hur ökad gravitationsstyrka förändrar tidens gång, materialets densitet under dina fötter kan mätas exakt med en tillräckligt exakt klocka. Och den här typen av information kan vara användbar för dem som studerar vulkaner, platttektonik och jordbävningar.

Dock, att mäta tiden med de noggrannheter som krävs för sådana ändamål är en oerhört komplex utmaning. Toppmoderna atomklockor baserade på vibrationer av atomer som cesium, till exempel, arbeta med en osäkerhet - motsatsen till noggrannhet - i området 1 x 10 ^-16 eller till 16 decimaler. Detta är extremt exakt för mätning av avstånd, och används således i nuvarande teknik för globalt positioneringssystem (GPS). Men forskare strävar efter ännu större noggrannhet, och en sorts klocka kan erbjuda osäkerheter så låga som 1 x 10 ^-19 eller till 19 decimaler. Den optiska gitterklockan lovar att erbjuda sådan noggrannhet.

Föreslogs först av professor Hidetoshi Katori från Institutionen för tillämpad fysik 2001, tanken är att fånga ett stort antal atomer i ett galler av lasrar. Med många atomer instängda kan deras vibrationer mätas samtidigt, vilket förbättrar noggrannheten i mätningen av tid. Isotoper av kadmium är idealiska eftersom de har några egenskaper som hjälper till att minska buller i denna typ av kvantsystem. Men för att skapa en klocka baserad på denna princip finns det flera hinder att övervinna, och forskare har precis hoppat en.

"Vi bestämde experimentellt den så kallade" magiska våglängden "för kadmium som är en av de väsentliga parametrarna för att driva den optiska gitterklockan, "sa forskaren Atsushi Yamaguchi från RIKEN." I en gitterklocka skapas det optiska gallret av interferensmönster för laserljus, vars våglängd är relaterad till de atomer som gallret behöver hålla. Den optimala eller "magiska" våglängden för att konstruera ett galler runt kadmiumisotoper är cirka 419,88 nanometer, vilket är nästan exakt värdet på 420,10 nanometer som vi ursprungligen förutspådde. "

En viktig egenskap hos kadmiumisotoper som gör dem idealiska för gitterklockor är att de är mer robusta för förändringar i sin miljö än många andra atomer och isotoper. En applikation som forskare strävar efter är förmågan att göra mätningar på olika platser med samma enhet, vilket betyder att den måste vara relativt bärbar, så det hjälper att vara robust. Med teorin på plats, forskare vill nu utvärdera prestandan för en sådan klocka.

"Noggrann och detaljerad utvärdering krävs så att forskare inom olika områden kan använda detta högprecisionsinstrument, "förklarade Katori." En sådan anordning ger oss chansen att studera och kanske en dag utmana etablerade idéer inom kosmologi som allmän relativitet och kanske till och med naturens grundkonstanter. "