I en ny studie publicerad i Science idag har JILA och NIST (National Institute of Standards and Technology) Fellow Jun Ye och hans forskargrupp tagit ett betydande steg för att förstå de intrikata och kollektiva ljus-atom-interaktionerna inom atomur, de mest exakta klockorna i universum.
Med hjälp av ett kubiskt gitter mätte forskarna specifika energiskiften inom arrayen av strontium-87-atomer på grund av dipol-dipol-interaktioner. Med en hög densitet av atomer studerades dessa frekvensskiften på mHz-nivå - kända som kooperativa lammskift - spektroskopiskt. Dessa skift studerades rumsligt och jämfördes med beräknade värden med hjälp av avbildningsspektroskopitekniker utvecklade i detta experiment.
Dessa kooperativa Lamb-skift, namngivna på grund av att närvaron av många identiska atomer i ett tätt begränsat utrymme modifierar den elektromagnetiska modstrukturen runt dem, är en viktig faktor när antalet atomer i klockor fortsätter att växa.
"Om du kan förstå och kontrollera dessa interaktioner med hög densitet i det här rutnätet, kan du alltid göra rutnätet större och större", förklarar JILA-studenten William Milner, tidningens andra författare. "Det är en i sig skalbar teknik, viktig för att förbättra klockprestandan."
Atomklockor, som länge betraktats som höjdpunkten av precision, fungerar enligt principen att mäta frekvensen av ljus som absorberas eller emitteras av atomer. Varje tick av dessa klockor styrs av svängningarna från kvantöverlagringen av elektroner inom dessa atomer, stimulerad av motsvarande energi från en sonderingslaser. Lasern exciterar atomerna till ett kvanttillstånd som kallas klocktillståndet.
Medan mer traditionella optiska gitterklockor använder ett endimensionellt optiskt gitter, som endast undertrycker atomernas rörelser längs en starkt begränsande riktning, begränsade strontiumkvantgasklockan som användes i denna studie atomerna i alla riktningar genom att placera dem i ett kubiskt arrangemang. Även om användningen av ett 3D-gitter är en attraktiv klockgeometri, kräver det också att man förbereder en ultrakall kvantgas av atomer och försiktigt laddar in dem i gittret.
"Det är mer komplicerat, men det har några unika fördelar eftersom systemet har fler kvantegenskaper," utvecklar Milner.
Inom kvantfysiken påverkar det rumsliga arrangemanget av partiklar kritiskt deras beteende. Med sin enhetlighet och jämvikt skapade det kubiska gittret en kontrollerad miljö där atomära interaktioner var observerbara och manipulerbara med oöverträffad precision.
Med hjälp av det kubiska gittret kunde Ross Hutson (en nyligen utexaminerad JILA Ph.D.), Milner och de andra forskarna i Ye-labbet, underlätta och mäta dipol-dipol-interaktionerna mellan strontiumatomerna. Dessa förskjutningar, normalt så små att de försummas, uppstår från kollektiv interferens mellan atomerna som beter sig som dipoler när de förbereds i en överlagring av de två klocktillstånden.
Eftersom den rumsliga ordningen av atomerna inom det kubiska gittret påverkar den dipolära kopplingen, kan forskare förstärka eller minska dipolinteraktionerna genom att manipulera klocklaserns vinkel i förhållande till gittret. Genom att arbeta i en speciell vinkel – Bragg-vinkeln – förväntade sig forskarna stark konstruktiv interferens och observerade en motsvarande större frekvensförskjutning.
Med starkare dipol-dipol-interaktioner som inträffade inom gittret, fann forskarna att dessa interaktioner skapade lokala energiförskjutningar i hela klocksystemet.
Dessa energiskiften, eller kooperativa lammskiften, är mycket små effekter som normalt är svåra att upptäcka. När många atomer grupperas, till exempel i ett kubiskt klockgitter, blir dessa förskjutningar en kollektiv angelägenhet och avslöjas av den nyligen uppnådda klockmätningsprecisionen. Om de lämnas okontrollerade kan de påverka noggrannheten hos atomur.
"Dessa [skiften] föreslogs ursprungligen redan 2004 som en futuristisk sak att oroa sig för [för klocknoggrannhet]," tillägger Milner. "Nu är de plötsligt mer relevanta [när du lägger till fler atomer i gittret]."
Som om det inte var tillräckligt intressant att mäta dessa förskjutningar, ännu mer intressant var att forskarna såg att de samarbetande lammskiften inte var enhetliga över gittret, utan varierade beroende på varje atoms specifika plats.
Denna lokala variation är signifikant för klockmätning:den antyder att frekvensen med vilken atomer oscillerar, och därmed klockans "tickande", kan skilja sig något från en del av gittret till en annan. Ett sådant rumsligt beroende av de kooperativa lammskiften är ett viktigt systematiskt skifte att förstå när forskare strävar efter att förbättra tidtagningsprecisionen.
"Genom att mäta dessa förskjutningar och se dem stämma överens med våra förutsagda värden kan vi kalibrera klockan så att den blir mer exakt", säger Milner.
Från sina mätningar insåg teamet att det fanns ett nära samband mellan de kooperativa lammskiften och utbredningsriktningen för klocksondens laser inom gittret. Detta förhållande gjorde det möjligt för dem att hitta en specifik vinkel där en "nollgenomgång" observerades och tecknet på frekvensskiftet övergick från positivt till negativt.
"Det är ett speciellt kvanttillstånd som upplever noll kollektivt lammskifte (lika överlagring av marktillstånd och exciterat tillstånd)," förklarar JILA doktorand Lingfeng Yan. Att leka med sambandet mellan laserns utbredningsvinkel med avseende på det kubiska gittret och de kooperativa lammskiften har gjort det möjligt för forskarna att finjustera klockan ytterligare för att vara mer robust mot dessa energiskiften.
Utöver att kontrollera och minimera dessa dipol-dipol-interaktioner i det kubiska gittret, hoppas JILA-forskarna kunna använda dessa interaktioner för att utforska många kroppsfysik i deras klocksystem.
"Det pågår en del riktigt intressant fysik eftersom du har dessa interagerande dipoler," utvecklar Milner, "Så människor, som Ross Hutson, har idéer för att till och med potentiellt använda dessa dipol-dipol-interaktioner för spinnklämning [en typ av kvantintrassling] för att gör ännu bättre klockor."
Mer information: Ross B. Hutson et al, Observation of millihertz-level cooperative Lamb shifts in an optical atomic clock, Science (2024). DOI:10.1126/science.adh4477
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av JILA
