JILA-fysiker har förstärkt signalkraften hos sin atomära "pincettklocka" och mätt dess prestanda delvis för första gången, uppvisar hög stabilitet nära det bästa av den senaste generationens atomur.

Den ovanliga klockan, som använder laserpincett för att fånga, kontrollera och isolera atomer, erbjuder unika möjligheter för att förbättra klockprestanda med hjälp av kvantfysikens knep såväl som framtida tillämpningar inom kvantinformationsbehandling, kvantsimulering, och mätvetenskap.

Beskrivs i a Natur tidning publicerad online 16 december, klockplattformen är ett rektangulärt rutnät med cirka 150 strontiumatomer begränsade individuellt av optisk pincett, som skapas av en laserstråle som riktas genom ett mikroskop och avböjs till 320 punkter. Denna uppgraderade version av klockan har upp till 30 gånger så många atomer som den preliminära designen som presenterades förra året, främst på grund av användningen av flera olika lasrar, inklusive en grön för att fånga atomerna och två röda för att få dem att "ticka".

När lasern startade atomer att ticka i experimenten som beskrivs i tidningen, ett urval av dessa atomer fortsatte att vibrera unisont med samma frekvens i mer än 30 sekunder, ett rekord för det som kallas kvantkoherens. Det stora antalet atomer och deras långa sammanhållningstider resulterade i utmärkt klockstabilitet på 5,2 x 10-17 på 1 sekund i genomsnittstid. Detta betyder att varaktigheten för varje "tick" matchar de andra inom cirka 1,9 kvintiljondelar av en sekund.

Forskare mätte stabiliteten genom att jämföra två olika regioner inom pincettklockan, noterar att denna prestanda närmar sig den för JILA:s 3-D strontiumgitterklocka, för vilken den interna jämförelsemetoden ursprungligen utvecklades. Stabiliteten hos 3D-systemet verifierades senare med en mer konventionell jämförelse mellan två optiska gitterklockor.

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

"Ett av de viktiga genombrotten i detta arbete var att vi kom på en metod för att förbereda många atomer samtidigt som vi bibehåller kvantkoherens, " NIST/JILA fysiker Adam Kaufman sa. "Detta var nyckeln till att tillåta en 30-faldig ökning av atomantal jämfört med förra året, vilket också tillät atomantal som var tillräckligt för självjämförelser och observation av den långa koherenstiden. Men, bortom klockor, denna kombination av skalbarhet, sammanhang, och enpartikelkontroll ställer också upp detta system för kvantinformationsbehandling och simulering."

Forskare från NIST och JILA har byggt atomur i många år. De senaste klockorna fungerar på optiska frekvenser, som är mycket högre än nuvarande tidsstandarder baserat på mikrovågsfrekvenser. Forskningen hjälper till att förbereda för den framtida internationella omdefinieringen av den andra, som har baserats på cesiumatomen sedan 1967. Optiska klockor har också tillämpningar bortom tidtagning, till exempel förstärkning av kvantinformationsvetenskap.

Pincettklockan kombinerar några av de mest önskvärda egenskaperna hos optiska klockor som för närvarande är i drift. Till exempel, som en vanlig metallpincett, laserpincetten erbjuder exakt kontroll av, I detta fall, enskilda atomer. Pincettklockan ger också de starka signalerna och stabiliteten från många atomer – hundratals nu och siktar på mer än tusen pincett i framtiden.

För att göra klockan, forskare laddar ett kylt moln av atomer i sitt lägsta energitillstånd till ett rektangulärt, tvådimensionell uppsättning av 320 pincett (16 gånger 20) bildad av en grön laser. Överlappande pincetten finns två korsade laserstrålar som skapar en stående våg som kallas ett optiskt gitter. Det optiska gittret minskar pincettens effektbehov till 1/30 av deras ursprungliga nivå. Ett nytt moln av atomer fyller på pincetten med några sekunders mellanrum. En filtreringsprocess lämnar pincettställen med antingen en atom eller tomma; med varje körning av experimentet, varje pincett har cirka 50 % chans att innehålla en enda atom.

Forskarna stänger sedan av den gröna lasern och gallret och byter till en röd pincettlaser, som kräver mer kraft men bidrar till klockbeteende. Atomerna som hålls av pincetten exciteras av en rosa "klocklaser" applicerad vinkelrätt mot pincettljuset, tillsammans med ett magnetfält. Klocklasern exciterar atomerna, som börjar ticka mellan två inre energinivåer. Till sist, den gröna pincetten slås på igen och en kamera registrerar atomernas tillstånd; de fluorescerar bara vid den låga energinivån, så tickandet registreras som blinkande ljus och kan omvandlas till en tidssignal.

Utöver tidtagning, JILA-forskare är glada över att använda pincettplattformen för andra applikationer som kvantberäkning och simulering och programmerbara kvantsensorer. Optisk pincett kan användas för att "trassla in" atomer, ett kvantfenomen som länkar deras egenskaper även på avstånd. Särskilda kvanttillstånd som trassel kan förbättra mätkänsligheten för klockor och sensorer och kan också användas i kvantlogikoperationer och simuleringar av kvantprocesser.

"Jag tycker att man verkligen borde se bortom klockorna för den här nya plattformen, "NIST/JILA Fellow och medförfattare Jun Ye sa." Med förmågan att kunna adressera varje enskild atom, man kan ta med programmerbarhet till kvantavkänning och informationsbehandling, en funktion som kommer att vara kraftfull för att optimera systemet för specifika uppgifter."