Пятница, 23 февраля, 2024
ДомойФизикаПереосмысление времени: раскрытие квантовых секретов атомных часов нового поколения

Переосмысление времени: раскрытие квантовых секретов атомных часов нового поколения

- Advertisement -

Атомные диполи на решетке взаимодействуют, вызывая наблюдаемый пространственно изменяющийся сдвиг частоты (показан от синего к красному). Фото: Стивен Берроуз/Ye Group

В ходе новаторского исследования ученые JILA и NIST улучшили понимание точности атомных часов, изучая кооперативные лэмбовские сдвиги в атомах стронция-87 внутри кубической решетки.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Наука 25 января научный сотрудник JILA и NIST (Национального института стандартов и технологий), а также профессор физики Университета Колорадо в Боулдере Джун Е и его исследовательская группа сделали значительный шаг в понимании сложного и коллективного света.атом взаимодействия в атомных часах, самых точных часах во Вселенной.

Используя кубическую решетку, исследователи измерили специфические энергетические сдвиги внутри массива атомов стронция-87, вызванные диполь-дипольными взаимодействиями. При высокой плотности атомов эти сдвиги частоты на уровне мГц, известные как кооперативные лэмбовские сдвиги, были изучены спектроскопически. Эти сдвиги были изучены пространственно и сравнены с расчетными значениями с использованием методов визуализационной спектроскопии, разработанных в этом эксперименте.

Эти кооперативные лэмбовские сдвиги, названные так потому, что присутствие множества одинаковых атомов в тесно ограниченном пространстве изменяет структуру электромагнитных мод вокруг них, являются важным фактором, поскольку число атомов в часах продолжает расти.

«Если вы сможете понимать и контролировать эти взаимодействия при высокой плотности в этой сетке, вы всегда сможете увеличивать сетку все больше и больше», — объясняет аспирант JILA Уильям Милнер, второй автор статьи. «Это по своей сути масштабируемая технология, важная для улучшения тактовой производительности».

Время в кубе

Атомные часы, долгое время считавшиеся вершиной точности, работают по принципу измерения частоты света, поглощаемого или излучаемого атомами. Каждый такт этих часов определяется колебаниями квантовой суперпозиции электронов внутри этих атомов, стимулируемой соответствующей энергией зондирующего лазера. Лазер переводит атомы в квантовое состояние, известное как состояние часов.

В то время как более традиционные часы с оптической решеткой используют одномерную оптическую решетку, подавляющую движение атомов только в одном строго ограничивающем направлении, квантовые газовые часы стронция, использованные в этом исследовании, удерживали атомы во всех направлениях, помещая их в кубическое расположение. Хотя использование трехмерной решетки является привлекательной геометрией часов, оно также требует подготовки ультрахолодного квантового газа атомов и тщательной загрузки их в решетку.

«Это сложнее, но у него есть некоторые уникальные преимущества, поскольку система обладает большим количеством квантовых свойств», — уточняет Милнер.

В квантовой физике пространственное расположение частиц критически влияет на их поведение. Благодаря своей однородности и равновесию кубическая решетка создала контролируемую среду, в которой атомные взаимодействия можно было наблюдать и манипулировать ими с беспрецедентной точностью.

Наблюдение за диполь-дипольным взаимодействием

Используя кубическую решетку, Росс Хатсон (недавний аспирант JILA), Милнер и другие исследователи из лаборатории Ye смогли облегчить и измерить диполь-дипольные взаимодействия между атомами стронция. Эти сдвиги, обычно настолько малые, что ими пренебрегают, возникают в результате коллективной интерференции между атомами, ведущими себя как диполи, когда они готовятся в суперпозиции двух часовых состояний.

Поскольку пространственное упорядочение атомов внутри кубической решетки влияет на диполярную связь, исследователи могли бы усиливать или ослаблять дипольные взаимодействия, манипулируя углом часового лазера относительно решетки. Работая под особым углом — углом Брэгга — исследователи ожидали сильных конструктивных помех и наблюдали, соответственно, больший сдвиг частоты.

Глядя на совместные бараньи смены

Поскольку внутри решетки происходят более сильные диполь-дипольные взаимодействия, исследователи обнаружили, что эти взаимодействия создают локальные энергетические сдвиги во всей часовой системе.

Эти энергетические сдвиги, или кооперативные лэмбовские сдвиги, представляют собой очень малые эффекты, которые обычно трудно обнаружить. Когда много атомов группируются, например, в кубической часовой решетке, эти сдвиги становятся коллективным явлением и обнаруживаются благодаря недавно достигнутой точности измерения часов. Если их оставить без контроля, они могут повлиять на точность атомных часов.

«Эти [shifts were] первоначально предложенный еще в 2004 году как футуристическая вещь, о которой стоит беспокоиться. [for clock accuracy]», — добавляет Милнер. «Теперь они внезапно стали более актуальными [as you add more atoms to the lattice]».

Как будто измерение этих сдвигов было недостаточно интересным, еще более интересным было то, что исследователи увидели, что кооперативные лэмбовские сдвиги не были однородными по всей решетке, а варьировались в зависимости от конкретного местоположения каждого атома.

Это локальное изменение важно для измерения часов: оно означает, что частота, с которой колеблются атомы и, следовательно, «тикание часов», может немного отличаться от одной части решетки к другой. Такая пространственная зависимость кооперативных лэмбовских сдвигов является важным систематическим сдвигом, который необходимо понять, поскольку исследователи стремятся улучшить точность измерения времени.

«Измеряя эти сдвиги и наблюдая, как они совпадают с нашими прогнозируемыми значениями, мы можем откалибровать часы, чтобы они были более точными», — говорит Милнер.

Из своих измерений команда поняла, что существует тесная связь между кооперативными лэмбовскими сдвигами и направлением распространения тактового зондирующего лазера внутри решетки. Эта зависимость позволила им найти конкретный угол, при котором наблюдалось «пересечение нуля» и знак сдвига частоты менялся с положительного на отрицательный.

«Это особое квантовое состояние, которое испытывает нулевой коллективный лэмбовский сдвиг (равная суперпозиция основного и возбужденного состояний)», — объясняет аспирант JILA Линфэн Ян. Игра со связью между углом распространения лазера по отношению к кубической решетке и кооперативными лэмбовскими сдвигами позволила исследователям дополнительно настроить часы, чтобы они были более устойчивыми к этим энергетическим сдвигам.

Изучение другой физики

Помимо контроля и минимизации этих диполь-дипольных взаимодействий в кубической решетке, исследователи JILA надеются использовать эти взаимодействия для изучения физики многих тел в своей системе часов.

«Происходит действительно интересная физика, потому что у вас есть эти взаимодействующие диполи», — уточняет Милнер. «Таким образом, у людей, таких как Росс Хатсон, есть идеи даже потенциального использования этих диполь-дипольных взаимодействий для сжатия спина. [a type of quantum entanglement] чтобы сделать часы еще лучше».

Ссылка: «Наблюдение кооперативных лэмбовских сдвигов на миллигерцовом уровне в оптических атомных часах» Росс Б. Хатсон, Уильям Р. Милнер, Линфэн Янь, Цзюнь Е и Кристиан Саннер, 25 января 2024 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adh4477.

Эта работа была поддержана Quantum Systems Accelerator, Национальным исследовательским центром квантовой информатики Министерства энергетики США; наряду с Институтом квантового скачка Национального научного фонда (NSF) и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме