Superstrålande atomer kan hjälpa oss att mäta tid mer exakt än någonsin. I en färsk studie presenterar forskare från Köpenhamns universitet en ny metod för att mäta tidsintervallet, den andra, som mildrar några av de begränsningar som dagens mest avancerade atomklockor möter. Resultatet kan få breda konsekvenser inom områden som rymdresor, vulkanutbrott och GPS-system.
Den andra är den mest exakt definierade måttenheten, jämfört med andra basenheter som kilogram, meter och grad Kelvin. Tiden mäts för närvarande av atomklockor på olika platser runt om i världen, som tillsammans talar om för oss vad klockan är. Med hjälp av radiovågor skickar atomklockor kontinuerligt signaler som synkroniserar våra datorer, telefoner och armbandsur.
Svängningar är nyckeln till att hålla tiden. I en farfarsklocka är dessa svängningar från en pendel som svänger från sida till sida varje sekund, medan det i ett atomur är en laserstråle som motsvarar en energiövergång i strontium och svänger ungefär en miljon miljarder gånger per sekund.
Men enligt Ph.D. kollega Eliot Bohr från Niels Bohr Institute – barnbarn till Niels Bohr – till och med atomklockor kunde bli mer exakta. Detta beror på att detekteringslasern, som används av de flesta moderna atomklockor för att avläsa atomernas oscillation, värmer upp atomerna så mycket att de försvinner – vilket försämrar precisionen.
"Eftersom atomerna ständigt behöver ersättas med färska nya atomer, medan nya atomer förbereds, tappar klockan lite i tid. Därför försöker vi övervinna några av de nuvarande utmaningarna och begränsningarna för världens bästa atomklockor genom att bland annat återanvända atomerna så att de inte behöver bytas ut lika ofta”, förklarar Bohr som var anställd på Niels Bohr Institutet när han gjorde forskningen, men som nu är Ph.D. stipendiat vid University of Colorado.
Han är huvudförfattare till en ny studie publicerad i tidskriften Nature Communications , som använder ett innovativt och kanske mer effektivt sätt att mäta tid.
Den nuvarande metoden består av en varm ugn som spottar ungefär 300 miljoner strontiumatomer i en utomordentligt kylig boll av kalla atomer som kallas en magneto-optisk fälla eller MOT. Temperaturen på dessa atomer är ungefär -273°C - mycket nära absoluta nollpunkten - och det finns två speglar med ett ljusfält mellan dem för att förbättra atomväxelverkan. Tillsammans med sina forskarkollegor har Bohr utvecklat en ny metod för att läsa ut atomerna.
"När atomerna landar i vakuumkammaren ligger de helt stilla eftersom det är så kallt, vilket gör det möjligt att registrera deras svängningar med de två speglarna i motsatta ändar av kammaren", förklarar Bohr.
Anledningen till att forskarna inte behöver värma atomerna med laser och förstöra dem är tack vare ett kvantfysikaliskt fenomen som kallas "superradiance". Fenomenet uppstår när gruppen av strontiumatomer är intrasslad och samtidigt avger ljus i fältet mellan de två speglarna.
"Speglarna får atomerna att bete sig som en enda enhet. Tillsammans avger de en kraftfull ljussignal som vi kan använda för att läsa ut atomtillståndet, ett avgörande steg för att mäta tid. Denna metod värmer upp atomerna minimalt, så det hela sker utan att ersätta atomerna, och detta har potential att göra det till en mer exakt mätmetod", förklarar Bohr.
GPS, rymduppdrag och vulkanutbrott
Enligt Bohr kan det nya forskningsresultatet vara till nytta för att utveckla ett mer exakt GPS-system. De ungefär 30 satelliterna som ständigt kretsar runt jorden och talar om för oss var vi befinner oss behöver atomklockor för att mäta tiden.
"Närhelst satelliter bestämmer positionen för din telefon eller GPS, använder du en atomklocka i en satellit. Atomklockornas precision är så viktig att Om den atomklockan är avstängd med en mikrosekund betyder det en inexakthet på cirka 100 meter på jordens yta", förklarar Bohr.
Framtida rymduppdrag är ett annat område där forskaren förutser mer exakta atomur som kommer att göra en betydande inverkan.
"När människor och hantverk skickas ut i rymden vågar de sig ännu längre bort från våra satelliter. Följaktligen är kraven på exakta tidsmätningar för att navigera i rymden mycket större", säger han.
Resultatet kan också vara till hjälp i utvecklingen av en ny generation av mindre, bärbara atomur som kan användas för mer än "bara" att mäta tid.
"Atomklockor är känsliga för gravitationsförändringar och kan därför användas för att upptäcka förändringar i jordens massa och gravitation, och detta kan hjälpa oss att förutsäga när vulkanutbrott och jordbävningar kommer att inträffa", säger Bohr.
Bohr betonar att även om den nya metoden som använder superstrålande atomer är mycket lovande, är den fortfarande ett "proof of concept" som behöver förfinas ytterligare.
Forskningen utfördes av teamet Jörg Helge Müller och Jan Thomsen vid Niels Bohr Institutet, i samarbete med Ph.D. studenter Sofus Laguna Kristensen och Julian Robinson-Tait, och postdoc Stefan Alaric Schäffer. I projektet ingick också bidrag från teoretiker Helmut Ritsch och Christoph Hotter från University of Innsbruck, samt Tanya Zelevinsky från Columbia University. Detta arbete understryker vikten av internationellt samarbete inom vetenskapen.
Mer information: Eliot A. Bohr et al., Kollektivt förbättrad Ramsey-avläsning genom kavitetssub- till superradiant-övergång, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45420-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Köpenhamns universitet
