Atomklockor används runt om i världen för att exakt berätta tid. Varje "tick" på klockan beror på atomvibrationer och deras effekter på omgivande elektromagnetiska fält. Standard atomur som används idag, baserat på atomen cesium, berätta tid genom att "räkna" radiofrekvenser. Dessa klockor kan mäta tiden till en precision på en sekund per hundratals miljoner år. Nyare atomur som mäter optiska ljusfrekvenser är ännu mer exakt, och kan så småningom ersätta de radiobaserade.

Nu, forskare vid Caltech och Jet Propulsion Laboratory (JPL), som hanteras av Caltech för NASA, har kommit med en ny design för en optisk atomklocka som lovar att vara den mest exakta och exakta någonsin (noggrannhet avser klockans förmåga att korrekt sätta ner tiden, och precision hänvisar till dess förmåga att berätta tid i detalj). Smeknamnet "pincettklockan, "den använder teknik där så kallade laserpincetter används för att manipulera enskilda atomer.

"Ett av fysikernas mål är att kunna berätta tid så exakt som möjligt, "säger Manuel Endres, en biträdande professor i fysik vid Caltech som ledde en ny uppsats som beskriver resultaten i tidningen Fysisk granskning X . Endres förklarar att även om de ultraprecisa klockorna kanske inte behövs för vardagliga ändamål att räkna tid, de kan leda till framsteg inom grundläggande fysikforskning såväl som till ny teknik som ännu inte kan föreställas.

Den nya klockdesignen bygger på två typer av optiska atomur som redan används. Den första typen är baserad på en enda instängd laddad atom, eller jon, medan den andra använder tusentals neutrala atomer fångade i det som kallas ett optiskt gitter. I metoden med instängd jon, endast en atom (jonen) behöver isoleras och kontrolleras exakt, och detta förbättrar klockans noggrannhet. Å andra sidan, det optiska gittermetoden gynnas av att ha flera atomer - med fler atomer finns det färre osäkerheter som uppstår på grund av slumpmässiga kvantfluktuationer i enskilda atomer.

Atomklockdesignen från Endres grupp kombinerar i huvudsak fördelarna med de två designerna, skörda fördelarna med båda. Istället för att använda en samling av många atomer, som är fallet med den optiska gittermetoden, den nya designen använder 40 atomer - och dessa atomer styrs exakt med laserpincett. I detta avseende, den nya designen gynnas inte bara av att ha flera atomer utan också av att låta forskare styra dessa atomer.

"Detta tillvägagångssätt överbryggar två grenar av fysiken-enkelatomkontrolltekniker och precisionsmätning, "säger Ivaylo Madjarov, en doktorand från Caltech och huvudförfattare till den nya studien. "Vi är banbrytande för en ny plattform för atomur."

Madjarov förklarar att i allmänhet, atomerna i atomklockor fungerar som stämgafflar för att stabilisera de elektromagnetiska frekvenserna, eller laserljus. "Svängningarna i vårt laserljus fungerar som en pendel som räknar tidens gång. Atomerna är en mycket tillförlitlig referens som ser till att pendeln svänger i konstant takt."

Teamet säger att det nya systemet är idealiskt för framtida forskning om kvantteknik. Atomerna i dessa system kan trassla ihop sig, eller globalt ansluten, och detta intrasslade tillstånd kan ytterligare stabilisera klockan. "Vår strategi kan också bygga en bro till kvantberäknings- och kommunikationsarkitekturer, "säger Endres." Genom att slå samman olika tekniker inom fysik, vi har gått in i en ny gräns. "

De Fysisk granskning X papper heter "En optisk klocka för Atomic Array med Single Atom-avläsning."