En metastabil helium Bose-Einstein kondensatmaskin. Kredit:Tracey Nearmy, Australian National University
Fysiker vid Australian National University har utvecklat den mest känsliga metoden någonsin för att mäta en atoms potentiella energi (inom en hundradels decilliondel av en joule – eller 10 -35 joule), och använde den för att validera en av de mest testade teorierna inom fysik - kvantelektrodynamik (QED).
Forskningen publicerades den här veckan i Science bygger på att hitta färgen på laserljus där en heliumatom är osynlig, och är en oberoende bekräftelse av tidigare metoder som använts för att testa QED, som har involverat mätning av övergångar från ett atomenergitillstånd till ett annat.
"Den här osynligheten är bara för en specifik atom och en specifik ljusfärg - så den kunde inte användas för att göra en osynlighetsmantel som Harry Potter skulle använda för att undersöka mörka hörn på Hogwarts", säger huvudförfattaren, Bryce Henson, doktorand. .D. student vid ANU Research School of Physics.
"Men vi kunde använda för att undersöka några mörka hörn av QED-teorin."
"Vi hoppades att fånga QED, eftersom det har förekommit vissa tidigare avvikelser mellan teori och experiment, men det gick bra med ett ganska bra betyg."
Quantum Electrodynamics, eller QED, utvecklades i slutet av 1940-talet och beskriver hur ljus och materia interagerar, och inkluderar både kvantmekanik och Einsteins speciella relativitetsteori på ett sätt som har varit framgångsrikt i nästan åttio år.
Men antydningar om att QED-teorin behövde förbättras kom från avvikelser i mätningar av protonens storlek, som mestadels löstes under 2019.
Omkring denna tid ANU Ph.D. Forskaren Bryce Henson märkte små svängningar i ett mycket känsligt experiment som han utförde på ett ultrakallt moln av atomer känt som ett Bose-Einstein-kondensat.
Han mätte frekvensen av svängningarna med rekordprecision och fann att interaktioner mellan atomerna och laserljuset ändrade frekvensen, eftersom laserns färg varierade.
Han insåg att denna effekt kunde utnyttjas för att mycket noggrant bestämma den exakta färgen vid vilken atomerna inte alls interagerade med lasern och svängningen förblev oförändrad – med andra ord i praktiken att bli osynlig.
Med kombinationen av en extremt högupplöst laser och atomer kylda till 80 miljarddelar av en grad över absolut noll (80 nanokelvin) uppnådde teamet en känslighet i sina energimätningar som var 5 storleksordningar mindre än atomernas energi, cirka 10 –35 joule, eller en temperaturskillnad på cirka 10 -13 av en grad kelvin.
"Det är så litet att jag inte kan komma på något fenomen att jämföra det med - det är så långt borta från slutet av skalan", sa Henson.
Med dessa mätningar kunde teamet härleda mycket exakta värden för heliums osynlighetsfärg. För att jämföra sina resultat med teoretiska förutsägelser för QED vände de sig till professor Li-Yan Tang från Chinese Academy of the Sciences i Wuhan och professor Gordon Drake från University of Windsor i Kanada.
Tidigare beräkningar med QED hade mindre osäkerhet än experimenten, men med den nya experimentella tekniken som förbättrade noggrannheten med en faktor 20, var teoretikerna tvungna att anta utmaningen och förbättra sina beräkningar.
I denna strävan var de mer än framgångsrika – de förbättrade sin osäkerhet till bara 1/40 av den senaste experimentella osäkerheten, och pekade ut QED-bidraget till atomens osynlighetsfrekvens som var 30 gånger större än experimentets osäkerhet. Det teoretiska värdet var endast något lägre än det experimentella värdet med 1,7 gånger den experimentella osäkerheten.
Ledare för det internationella samarbetet, professor Ken Baldwin från ANU Research School of Physics, sa att förbättringar av experimentet kan hjälpa till att lösa diskrepansen, men att de också skulle finslipa ett extraordinärt verktyg som kan belysa QED och andra teorier.
"Nya verktyg för precisionsmätningar leder ofta till stora förändringar i teoretisk förståelse längs banan," sa professor Baldwin. + Utforska vidare
