Het waarnemen van een nieuwe systematische verschuiving van de klok

By | January 28, 2024

Atoomdipolen op een rooster werken op elkaar in en produceren een waarneembare ruimtelijk variërende frequentieverschuiving (weergegeven als blauw naar rood). Fotocredit: Steven Burrows/Ye Group

Uit een nieuwe studie gepubliceerd in Wetenschap Vandaag hebben JILA en NIST (National Institute of Standards and Technology) Fellow Jun Ye en zijn onderzoeksteam een ​​belangrijke stap gezet in de richting van het begrijpen van de ingewikkelde en collectieve licht-atoominteracties binnen atoomklokken, de meest nauwkeurige klokken in het universum.

Met behulp van een kubisch rooster maten de onderzoekers specifieke energieverschuivingen binnen de rangschikking van strontium-87-atomen als gevolg van dipool-dipoolinteracties. Bij een hoge atoomdichtheid werden deze frequentieverschuivingen in het mHz-bereik – de zogenaamde coöperatieve Lamb-verschuivingen – spectroscopisch onderzocht. Deze verschuivingen werden ruimtelijk onderzocht en vergeleken met berekende waarden met behulp van beeldvormende spectroscopietechnieken die in dit experiment waren ontwikkeld.

Deze coöperatieve Lamb-verschuivingen, zo genoemd omdat de aanwezigheid van veel identieke atomen in een beperkte ruimte de elektromagnetische modusstructuur eromheen verandert, zijn een belangrijke factor naarmate het aantal atomen in klokken blijft groeien.

“Als je deze interacties met hoge dichtheid in dit rooster kunt begrijpen en controleren, kun je het rooster steeds groter maken”, legt JILA-promovendus William Milner, de tweede auteur van het artikel, uit. “Het is een inherent schaalbare technologie die belangrijk is voor het verbeteren van de klokprestaties.”

Tijd in een kubus

Atoomklokken, lang beschouwd als het toonbeeld van precisie, zijn gebaseerd op het principe van het meten van de frequentie van licht dat door atomen wordt geabsorbeerd of uitgezonden. Elke tik van deze klokken wordt bestuurd door de oscillaties van de kwantumsuperpositie van elektronen in deze atomen, opgewonden door de juiste energie van een indringende laser. De laser exciteert de atomen in een kwantumtoestand die bekend staat als een kloktoestand.

Terwijl meer traditionele optische roosterklokken een eendimensionaal optisch rooster gebruiken en de bewegingen van de atomen alleen in een zeer beperkende richting onderdrukken, beperkte de strontium-kwantumgasklok die in dit onderzoek werd gebruikt de atomen in alle richtingen door ze in een kubieke reeks te plaatsen. Hoewel het gebruik van een 3D-rooster een aantrekkelijke klokgeometrie is, vereist het ook de voorbereiding van een ultrakoud kwantumgas van atomen en het zorgvuldig laden ervan in het rooster.

“Het is ingewikkelder, maar het heeft een aantal unieke voordelen omdat het systeem meer kwantumeigenschappen heeft”, legt Milner uit.

In de kwantumfysica heeft de ruimtelijke rangschikking van deeltjes een beslissende invloed op hun gedrag. Met zijn uniformiteit en balans creëerde het kubusvormige rooster een gecontroleerde omgeving waarin atomaire interacties met ongekende precisie konden worden waargenomen en gemanipuleerd.

Waarnemen van dipool-dipool-interacties

Met behulp van het kubieke rooster konden Ross Hutson (een recent afgestudeerde JILA-student), Milner en de andere onderzoekers in het Ye-lab de dipool-dipoolinteracties tussen de strontiumatomen vergemakkelijken en meten. Deze verschuivingen, die gewoonlijk zo klein zijn dat ze kunnen worden verwaarloosd, komen voort uit collectieve interferentie tussen de atomen, die zich als dipolen gedragen wanneer ze worden geproduceerd in een superpositie van de twee kloktoestanden.

Omdat de ruimtelijke rangschikking van atomen binnen het kubieke rooster de dipolaire koppeling beïnvloedt, zouden onderzoekers dipoolinteracties kunnen vergroten of verkleinen door de hoek van de kloklaser ten opzichte van het rooster te manipuleren. Bij een speciale hoek, de Bragg-hoek, verwachtten de onderzoekers sterke constructieve interferentie en namen ze een overeenkomstig grotere frequentieverschuiving waar.

Uitzicht op coöperatieve lamsploegen

Omdat er binnen het rooster sterkere dipool-dipool-interacties plaatsvinden, ontdekten de onderzoekers dat deze interacties lokale energieverschuivingen door het hele kloksysteem veroorzaakten.

Deze energieverschuivingen, of coöperatieve Lam-verschuivingen, zijn zeer kleine effecten die doorgaans moeilijk te detecteren zijn. Wanneer veel atomen bij elkaar worden gegroepeerd, bijvoorbeeld in een kubisch klokrooster, worden deze verschuivingen een collectieve aangelegenheid en worden ze zichtbaar in de nieuw bereikte nauwkeurigheid van klokmetingen. Als ze niet worden aangevinkt, kunnen ze de nauwkeurigheid van atoomklokken beïnvloeden.

“Dit [shifts were] oorspronkelijk voorgesteld in 2004 als een futuristisch iets om je zorgen over te maken [for clock accuracy]voegt Milner toe. “Nu zijn ze ineens relevanter.” [as you add more atoms to the lattice].”

Alsof het meten van deze verschuivingen niet interessant genoeg was, was het nog interessanter dat de onderzoekers ontdekten dat de coöperatieve Lamb-verschuivingen niet uniform waren in het hele rooster, maar varieerden afhankelijk van de specifieke positie van elk atoom.

Deze lokale variatie is belangrijk voor klokmetingen: het houdt in dat de frequentie waarmee atomen oscilleren, en dus het “tikken” van de klok, enigszins kan verschillen van het ene deel van het raster tot het andere. Een dergelijke ruimtelijke afhankelijkheid van coöperatieve Lamb-verschuivingen is een belangrijke systematische verschuiving die we moeten begrijpen, aangezien onderzoekers ernaar streven de nauwkeurigheid van tijdmetingen te verbeteren.

“Door deze verschuivingen te meten en te zien hoe ze overeenkomen met onze voorspelde waarden, kunnen we de klok nauwkeuriger kalibreren”, zegt Milner.

Op basis van hun metingen realiseerde het team zich dat er een nauw verband bestaat tussen de coöperatieve Lamb-verschuivingen en de voortplantingsrichting van de kloksondelaser binnen het raster. Dankzij deze relatie konden ze een specifieke hoek vinden waarbij een “nuldoorgang” werd waargenomen en het teken van de frequentieverschuiving veranderde van positief naar negatief.

“Het is een specifieke kwantumtoestand die geen collectieve Lamb-verschuiving ondergaat (gelijke superpositie van grondtoestand en aangeslagen toestand)”, legt JILA-promovendus Lingfeng Yan uit. Door te spelen met de relatie tussen de voortplantingshoek van de laser ten opzichte van het kubieke rooster en de coöperatieve Lamb-verschuivingen hebben de onderzoekers de klok verder kunnen verfijnen om robuuster te zijn tegen deze energieverschuivingen.

Andere natuurkunde verkennen

Naast het beheersen en minimaliseren van deze dipool-dipool-interacties in het kubieke rooster, hopen JILA-onderzoekers deze interacties te gebruiken om de fysica van veel lichamen in hun kloksysteem te onderzoeken.

“Er bestaat heel interessante natuurkunde, omdat er op elkaar inwerkende dipolen bestaan”, legt Milner uit. “Dus mensen als Ross Hutson hebben ideeën over het mogelijk zelfs gebruiken van deze dipool-dipool-interacties voor spin-squeezing.” [a type of quantum entanglement] om nog betere horloges te maken.

Meer informatie:
Ross B. Hutson et al., Observatie van millihertz-coöperatieve Lamb-verschuivingen in een optische atoomklok, Wetenschap (2024). DOI: 10.1126/science.adh4477

Citaat: Dipool-dipoolinteracties: observatie van een nieuwe systematische verschuiving in de klok (2024, 27 januari), opgehaald op 28 januari 2024 van https://phys.org/news/2024-01-dipole-interactions-clock-systematic -shift .html

Op dit document rust auteursrecht. Behalve voor eerlijke handelsdoeleinden voor privéstudie of onderzoek, mag geen enkel deel worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud is uitsluitend bedoeld voor informatieve doeleinden.

Leave a Reply

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