Un nou tip de ceas atomic este mai precis decât oricare încă construit, cu capacitatea de a bifa ușor de o mie de ori durata vieții universului. Pe lângă faptul că este cel mai bun cronometru până în prezent, noul așa-numit ceas cu gaz cuantic ar putea într-o zi să ofere informații despre noua fizică.
Cercetătorii de la JILA (anterior numit Institutul comun pentru Astrofizica de laborator) au folosit o combinație de atomi de stronțiu și o serie de fascicule laser pentru a crea un ceas atât de precis încât ar putea fi capabil să măsoare interacțiunea gravitației la scări mai mici decât oricând înainte . Făcând acest lucru, ar putea arunca o lumină asupra relației sale cu alte forțe fundamentale, un mister care a declanșat fizicienii de zeci de ani.
Ceasurile atomice măsoară timpul utilizând vibrațiile atomilor ca un metronom foarte precis. Ceasurile atomice actuale sunt oprite cu secunde pe zeci de miliarde de ani. Această iterație cea mai nouă rămâne suficient de precisă încât va fi dezactivată cu doar 1 secundă în aproximativ 90 de miliarde de ani.
Pentru a obține acest tip de precizie, echipa a răcit atomi de stronțiu pentru a-i împiedica să se miște și să se lovească unul în altul - ceva care le poate arunca vibrațiile. În primul rând, au lovit atomii cu lasere. Când sunt loviți de fotoni în lasere, atomii și-au absorbit energia și au emis din nou un foton, pierzând energia cinetică și devenind mai reci. Dar asta nu le-a răcit suficient. Așadar, pentru a le face și mai reci, echipa s-a bazat pe răcirea prin evaporare, permițând unora dintre atomii de stronțiu să se evapore și să accepte încă mai multă energie. Au rămas cu 10.000 până la 100.000 de atomi, la o temperatură de numai 10 până la 60 de miliarde de grade peste zero absolut, sau minus 459 grade Fahrenheit (minus 273 grade Celsius).
Atomii reci au fost prinși de un aranjament 3D de lasere. Grinzile au fost puse la punct pentru a interfera între ele. În timp ce au făcut acest lucru, au creat regiuni cu energie potențială mică și înaltă, numite puțuri potențiale. Fântânile acționează ca niște cutii de ouă stivuite și fiecare deține un atom de stronțiu.
Atomii au devenit atât de reci încât au încetat să interacționeze unul cu altul - spre deosebire de un gaz normal, în care atomii circulă la întâmplare și își dau drumul la semenii lor, astfel de atomi răciți rămân nemișcați. Apoi încep să se comporte într-un mod care este mai puțin asemănător unui gaz și mai mult ca un solid, chiar dacă distanța dintre ele este mult mai mare decât ceea ce se găsește în stronțiu solid.
"Din acest punct de vedere, este un material foarte interesant; are acum proprietăți ca și cum ar fi o stare solidă", a spus Live Science, fizician la Institutul Național de Standarde și Tehnologie. (JILA este operată în comun de NIST și Universitatea din Colorado la Boulder.)
În acest moment, ceasul era gata să înceapă să păstreze timpul: Cercetătorii au lovit atomii cu un laser, excitând unul dintre electronii care orbitează nucleul strontiului. Deoarece electronii sunt guvernate de legile mecanicii cuantice, nu se poate spune la ce nivel de energie este electronul în momentul în care este excitat și se poate spune doar că are o probabilitate de a fi într-una sau alta. Pentru a măsura electronul, după 10 secunde, au tras un alt laser la atom. Acest laser măsoară locul în care electronul este situat în jurul nucleului, deoarece un foton din laser este re-emis de atom - și de câte ori a oscilat în acea perioadă (cele 10 secunde).
Valorificarea acestei măsurători pe mii de atomi este ceea ce conferă preciziei acestui ceas atomic, la fel cum medierea bătăilor de mii de pendule identice va oferi unuia o idee mai precisă despre care ar trebui să fie perioada acelui pendul.
Până acum, ceasurile atomice aveau doar „șiruri” de atomi, spre deosebire de o rețea 3D, deci nu puteau lua la fel de multe măsurători ca acesta, a spus Ye.
„Este ca și cum ai compara ceasuri”, a spus Ye. "Folosind acea analogie, pulsul laser al atomilor declanșează o oscilație coerentă. Zece secunde mai târziu pornim din nou pulsul și întrebăm electronul:„ Unde ești? "" Această măsurătoare este medie în mii de atomi.
Vă mențineți electronii în acea stare intermediară este dificil, a spus Ye, și acesta este un alt motiv pentru care atomii trebuie să fie atât de reci, încât electronii să nu atingă nimic din greșeală.
Ceasul poate măsura, în esență, secunde până la 1 parte în trilioane. Această abilitate face mai mult decât un cronometru cu adevărat bun; ar putea ajuta în căutarea unor fenomene precum materia întunecată, a spus Ye. De exemplu, s-ar putea configura un experiment în spațiu folosind un cronometru atât de precis pentru a vedea dacă atomii se comportă diferit de ceea ce prevăd teoriile convenționale.
Studiul este detaliat în numărul din 6 octombrie al revistei Science.
