Надвипромінювання може вирішити проблеми точності атомних годинників
Крихітні атоми, що цокають, є метрикою, за допомогою якої ми найточніше вимірюємо плин часу. Оскільки вони висять у складних, надхолодних магнітних павутинах, ми досліджуємо їх лазерами, щоб виміряти їхні коливання туди-сюди.
Однак сам процес вимірювання може призвести до того, що атомний годинник почне руйнуватися. Лазери нагрівають атоми, і вони вилітають у порожнечу. Квантове явище під назвою супервипромінювання, як виявили фізики, може вирішити цю проблему – зробити найточніший годинник на Землі ще точнішим.
“Оскільки атоми постійно потребують заміни свіжими новими атомами, поки нові атоми готуються, годинник втрачає час дуже незначно”, – пояснює фізик Еліот Бор, колишній співробітник Копенгагенського університету, а нині – Університету штату Колорадо.
“Тому ми намагаємося подолати деякі з поточних проблем і обмежень найкращих у світі атомних годинників, зокрема, шляхом повторного використання атомів, щоб їх не потрібно було так часто замінювати”.
Атомний годинник, як ви, напевно, можете собі уявити, є складною машиною для побудови. Потрібно взяти групу атомів – у цьому випадку стронцій, хоча цезій та ітербій також популярні – і піддати їх певним умовам, щоб утримати їх на місці, та виміряти їхні коливання.
Атоми стронцію отримують у гарячій печі, яка нагріває твердий стронцій до утворення пари. Ці атоми викидаються з печі, потім сповільнюються і охолоджуються до надзвичайно низької температури -273 градусів Цельсія, лише на частку вище абсолютного нуля, у вакуумній камері, до якої команда додала два дзеркала, утворюючи так звану оптичну порожнину, яка дозволяє відбивати лише певні патерни світла туди і назад.
“Коли атоми потрапляють у вакуумну камеру, вони лежать абсолютно нерухомо, тому що там дуже холодно, що дозволяє реєструвати їхні коливання за допомогою двох дзеркал на протилежних кінцях камери”, – пояснює Бор.
Зараз атомні годинники вже є дуже точними. Найточніший з них, анонсований лише місяць тому в препринті, – це стронцієвий годинник, який може працювати 40 мільярдів років, не втрачаючи часу.
Ви можете подумати, що підвищення точності – це позолотити лілію, але точний хронометраж насправді надзвичайно корисний для таких застосувань, як вимірювання фізичного світу, навігація, тести теорії відносності.
Тому Бор і його колеги хотіли знайти спосіб створити атомний годинник, який не втрачає атомів, і для цього вони скористалися надвипромінюванням. Це коли група збуджених атомів синхронізує поділ своїх зарядів, колективно випромінюючи короткий, інтенсивний імпульс світла, настільки акуратно вирівняний, що його можна виміряти з великою точністю.
“Дзеркала змушують атоми поводитися як єдине ціле. Разом вони випромінюють потужний світловий сигнал, який ми можемо використовувати для зчитування атомного стану, що є вирішальним кроком для вимірювання часу”, – каже Бор.
“Цей метод мінімально нагріває атоми, тому все відбувається без заміни атомів, і це має потенціал зробити його більш точним методом вимірювання”.
На даний момент експериментальні розробки команди знаходяться на стадії підтвердження концепції. Їхня робота показує, що це можливо; тепер її потрібно розвивати і вдосконалювати, щоб просунути хронометрію в новому, надточному напрямку.
“Наша схема є інноваційним підходом до зчитування атомного стану, що характеризується швидкістю, простотою і високоспрямованим випромінюванням сигнальних фотонів”, – пишуть дослідники у своїй роботі.
“Безпосередні переваги нашої схеми можуть бути застосовані до будь-якого квантового сенсора, що базується на зчитуванні різниці заселеності квантового стану”.
