Att observera en ny systematisk ändring av klockan.

By | January 28, 2024

Atomdipoler i ett gitter samverkar för att producera en observerbar, rumsligt varierande frekvensförskjutning (visas från blått till rött). Kredit: Steven Burrows/Ye Group

I en ny studie publicerad i Vetenskap Idag har Jun Ye, en medlem av JILA och NIST (National Institute of Standards and Technology), och hans forskargrupp tagit ett betydande steg för att förstå de invecklade och kollektiva ljus-atom-interaktionerna inom atomklockor, universums mest exakta.

Med hjälp av ett kubiskt gitter mätte forskarna specifika energiförändringar inom arrayen av strontium-87-atomer på grund av dipol-dipol-interaktioner. Vid en hög täthet av atomer studerades dessa frekvensförskjutningar på mHz-nivån, kända som kooperativa Lamb-skift, spektroskopiskt. Dessa förändringar studerades rumsligt och jämfördes med värden som beräknats med hjälp av avbildningsspektroskopitekniker utvecklade i detta experiment.

Dessa kooperativa lammskiften, så kallade eftersom närvaron av många identiska atomer i ett mycket litet utrymme modifierar strukturen för det elektromagnetiska läget 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 på detta rutnät, kan du alltid göra rutnätet större och större”, förklarar JILA doktorand William Milner, andra författare till tidningen. “Det är en i sig skalbar teknologi, viktig för att förbättra klockprestandan.”

tid i en kub

Atomklockor, som länge ansetts vara höjdpunkten av precision, arbetar 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 hos en sondlaser. Lasern exciterar atomerna till ett kvanttillstånd som kallas klocktillstånd.

Medan mer traditionella optiska gitterklockor använder ett endimensionellt optiskt gitter, som undertrycker atomernas rörelser endast längs en starkt begränsad riktning, begränsade strontiumkvantgasklockan som användes i denna studie atomer i alla riktningar genom att placera dem i ett kubiskt arrangemang. Även om användning av ett 3D-gitter är en attraktiv klockgeometri, kräver det också att man förbereder en ultrakall kvantgas av atomer och försiktigt laddar dem i gittret.

“Det är mer komplicerat, men det har några unika fördelar, eftersom systemet har fler kvantegenskaper”, förklarar Milner.

Inom kvantfysiken påverkar det rumsliga arrangemanget av partiklar avgörande deras beteende. Med sin enhetlighet och balans skapade det kubiska gittret en kontrollerad miljö där atomära interaktioner var observerbara och manipulerbara med oöverträffad precision.

Att observera dipol-dipol-interaktioner

Med hjälp av det kubiska gittret kunde Ross Hutson (nyligen doktorand i JILA), Milner och andra forskare i Yes labb underlätta och mäta dipol-dipol-interaktioner mellan strontiumatomer. Dessa förändringar, vanligtvis så små att de är försumbara, uppstår från kollektiv interferens mellan atomer som beter sig som dipoler när de primeras i en superposition av de två klocktillstånden.

Eftersom den rumsliga ordningen av atomer inom det kubiska gittret påverkar dipolär koppling, kan forskare förstärka eller minska dipolinteraktioner genom att manipulera klocklaserns vinkel i förhållande till gittret. Genom att arbeta i en speciell vinkel, Bragg-vinkeln, förväntade sig forskarna starka konstruktiva störningar och observerade en motsvarande större frekvensförskjutning.

Tittar på Cooperative Lamb Turns

När starkare dipol-dipol-interaktioner inträffade inom gittret fann forskarna att dessa interaktioner skapade lokala energiförändringar i hela klocksystemet.

Dessa energiförändringar, eller kooperativa lammförändringar, är mycket små effekter som vanligtvis är svåra att upptäcka. När många atomer grupperas tillsammans, som i gallret på en kubisk klocka, blir dessa förändringar en kollektiv angelägenhet och avslöjas av klockans nyligen uppnådda mätprecision. Om de lämnas okontrollerade kan de påverka atomklockornas noggrannhet.

“Dessa [shifts were] föreslog ursprungligen 2004 som något futuristiskt att oroa sig för [for clock accuracy]”Lägger till Milner. “Nu, plötsligt, är de mer relevanta [as you add more atoms to the lattice]”.

Som om det inte var tillräckligt intressant att mäta dessa förändringar, ännu mer intressant var att forskarna såg att de kooperativa Lamb-förändringarna inte var enhetliga över nätverket, utan varierade beroende på den specifika platsen för varje atom.

Denna lokala variation är signifikant för klockmätning: den innebär att frekvensen med vilken atomerna oscillerar, och därför klockans “tickande” kan skilja sig något från en del av gittret till en annan. Ett sådant rumsligt beroende av kooperativa Lamb-förändringar är en viktig systematisk förändring som vi måste förstå när forskare strävar efter att förbättra noggrannheten i tidtagning.

“Genom att mäta dessa förändringar och se dem överensstämma med våra förutsagda värden kan vi kalibrera klockan för att vara mer exakt”, säger Milner.

Från sina mätningar insåg teamet att det fanns ett nära samband mellan de kooperativa Lamb-förändringarna och utbredningsriktningen för klocksondens laser inom nätverket. Detta förhållande gjorde det möjligt för dem att hitta en specifik vinkel där en “nollgenomgång” observerades och tecknet på frekvensförändringen gick från positivt till negativt.

“Det är ett speciellt kvanttillstånd som upplever noll kollektivt lammskifte (likvärdig överlagring av grundtillståndet och det exciterade tillståndet),” förklarar JILA doktorand Lingfeng Yan. Att leka med kopplingen mellan laserns utbredningsvinkel med avseende på det kubiska gittret och de kooperativa Lamb-förändringarna har gjort det möjligt för forskarna att ytterligare ställa in klockan för att göra den mer robust mot dessa energiförändringar.

Utforska annan fysik

Förutom att kontrollera och minimera dessa dipol-dipol-interaktioner i det kubiska gittret, hoppas JILA-forskare kunna använda dessa interaktioner för att utforska många kroppsfysik i deras klocksystem.

“Det finns en del riktigt intressant fysik eftersom du har dessa interagerande dipoler,” förklarar Milner, “så att människor, som Ross Hutson, har idéer för att till och med potentiellt använda dessa dipol-dipol-interaktioner för att dra åt spinnet.” [a type of quantum entanglement] att göra ännu bättre klockor.”

Mer information:
Ross B. Hutson et al, Observation av kooperativa lammskiften på millihertznivå i en optisk atomur, Vetenskap (2024). DOI: 10.1126/ciencia.adh4477

Citat: Dipol-dipol-interaktioner: Att observera en ny systematisk klockändring (27 januari 2024) hämtad 28 januari 2024 från https://phys.org/news/2024-01-dipole-interactions-clock-systematic- shift.html

Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Bortsett från all rättvis handel för privata studier eller forskningsändamål, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *