Uuden tyyppinen atomikello on tarkempi kuin mikään vielä rakennettu, ja sillä on kyky tikittää sujuvasti tuhannen kerran maailmankaikkeuden elinaikana. Sen lisäksi, että uusi ns. Kvanttikaasikello on tähän mennessä paras ajanottaja, se voisi tarjota jonain päivänä oivalluksia uuteen fysiikkaan.
JILA: n (aikaisemmin myös nimeltään yhteinen laboratorioastrofysiikan instituutti) tutkijat käyttivät strontiumiatomien yhdistelmää ja lasersäteiden joukkoa kellon luomiseen, niin tarkka, että se voisi pystyä mittaamaan painovoiman vuorovaikutusta pienemmissä mittakaavoissa kuin koskaan ennen. . Näin toimiessaan se saattaa valaista suhteensa muihin perusvoimiin luonnetta, mikä on mysteeri, joka on hämmentänyt fyysikkoja vuosikymmenien ajan.
Atomikello mittaa aikaa käyttämällä atomien värähtelyjä kuten erittäin tarkka metronomi. Nykyiset atomikellot ovat pois päältä sekunnein kymmenien miljardejen vuosien ajan. Tämä uusin iteraatio on riittävän tarkka, että se poistuu vain yhdellä sekunnilla noin 90 miljardin vuoden aikana.
Saadakseen tällaisen tarkkuuden, joukkue jäähdytti strontiumiatomeja estääkseen niitä liikkumasta ja törmämästä toisiinsa - jotain, joka voi heittää heidän värähtelynsä. Ensinnäkin, he osuivat atomeihin lasereilla. Laserissa olevien fotonien osuessa atomit absorboivat energiansa ja emittoivat uudelleen fotonin, menettäen kineettisen energian ja saaden kylmemmäksi. Mutta se ei jäähdyttänyt heitä tarpeeksi. Joten saadakseen ne vielä kylmemmäksi, joukkue luottaa haihduttavaan jäähdytykseen, jonka avulla jotkut strontiumiatomeista haihtuvat ja hyväksyvät vielä enemmän energiaa. Heillä oli 10 000 - 100 000 atomia lämpötilassa, joka oli vain 10–60 miljardia osaa absoluuttisen nollan asteesta tai miinus 459 astetta Fahrenheit (miinus 273 celsiusastetta).
Kylmät atomit vangittiin 3D-laserjärjestelyllä. Palkit asetettiin häiritsemään toisiaan. He tekivät niin luomalla matalan ja korkean potentiaalin energian alueita, joita kutsutaan potentiaalisiksi kaivoiksi. Kuopat toimivat kuin pinottu munapakkaus, ja jokaisessa niistä on strontiumiatomi.
Atomit saivat niin kylmän, että lopettivat vuorovaikutuksen toistensa kanssa - toisin kuin normaali kaasu, jossa atomit kiertävät satunnaisesti ja pomppivat tovereitaan, sellaiset jäähtyneet atomit pysyvät melko paikallaan. Sitten he alkavat käyttäytyä tavalla, joka on vähemmän kuin kaasu ja enemmän kuin kiinteä aine, vaikka etäisyys niiden välillä on paljon suurempi kuin mitä kiinteässä strontiumissa löytyy.
"Tästä näkökulmasta katsottuna se on erittäin mielenkiintoinen materiaali; sillä on nyt ominaisuuksia kuin se olisi kiinteä tila", projektin vetäjä Jun Ye, fyysikko National Standards and Technology -yksikössä, kertoi Live Science: lle. (JILA: ta hallinnoivat yhdessä NIST ja Coloradon yliopisto, Boulder.)
Tässä vaiheessa kello oli valmis aloittamaan ajan pitämisen: Tutkijat osuivat atomiin laserilla, jännittävän yhden strontiumin ytimen kiertävistä elektroneista. Koska elektroneja säätelevät kvanttimekaniikan lait, ei voi sanoa, minkä energian tasolla elektroni on heti virittyessä, ja voi vain sanoa, että sillä on todennäköisyys olla yhdessä tai toisessa. Elektronin mittaamiseksi 10 sekunnin kuluttua he ampuivat toisen laserin atomiin. Tuo laser mittaa, missä elektroni sijaitsee ytimen ympärillä, kun atomista vapautuu laserista tuleva fotoni - ja kuinka monta kertaa se värähtelee kyseisellä ajanjaksolla (10 sekuntia).
Tämän mittauksen keskiarvottaminen tuhansien atomien joukosta antaa tälle atomikellolle tarkkuuden, samoin kuin tuhansien identtisten heilurien lyönnien keskiarvoistaminen antaa tarkemman kuvan siitä, minkä ajan kyseisen heilurin tulisi olla.
Tähän asti atomikelloissa oli vain yksi "atomijono" atomeista verrattuna 3D-hilaan, joten he eivät voineet tehdä niin monta mittausta kuin tämä, Ye sanoi.
"Se on kuin kellojen vertaaminen", Ye sanoi. "Tätä analogiaa käyttämällä atomien laserpulssi laukaisee koherentin värähtelyn. Kymmenen sekuntia myöhemmin käynnistämme pulssin uudelleen ja kysymme elektronia," Missä olet? "" Tämä mittaus keskiarvoistetaan tuhansien atomien välillä.
Ye sanoi, että elektronien pitäminen tuossa välitilassa on vaikeaa, ja se on toinen syy atomien olla niin kylmiä, että elektronit eivät vahingossa kosketa mitään muuta.
Kello voi käytännössä mitata sekuntia 1 osaan triljoonaina. Tämä kyky tekee enemmän kuin todella hyvä ajanottaja; se voi auttaa etsimään ilmiöitä, kuten tummaa ainetta, Ye sanoi. Esimerkiksi, voidaan perustaa kokeilu avaruudessa käyttämällä tällaista tarkkaa ajastinta nähdäksesi, käyttäytyvät atomit eri tavalla kuin mitä perinteiset teoriat ennustavat.
Tutkimus on yksityiskohtaisesti Science-lehden 6. lokakuuta ilmestyvässä lehdessä.
