Сверхизлучение может решить проблемы точности атомных часов
Крошечные тикающие атомы — это показатель, с помощью которого мы наиболее точно измеряем течение времени. Пока они висят в сложной ультрахолодной паутине магнетизма, мы исследуем их с помощью лазеров, чтобы измерить их колебания вперед и назад.
Однако сам процесс измерения может привести к ухудшению качества этих атомных часов. Лазеры нагревают атомы, и они уходят в пустоту. Квантовое явление, называемое сверхизлучением, могло бы, как обнаружили физики, решить эту проблему, сделав самые точные часы на Земле еще более точными.
«Потому что атомы постоянно необходимо заменять свежими новыми атомами, в то время как новые атомы будучи подготовленными, часы немного отстают», — объясняет физик Элиот Бор, ранее работавший в Копенгагенском университете, а ныне в Университете Колорадо.
«Поэтому мы пытаемся преодолеть некоторые из нынешних Проблемы и ограничения лучших в мире атомных часов, среди прочего, заключаются в повторном использовании атомов, чтобы их не приходилось заменять так часто».
Атомные часы, как вы, вероятно, можете себе представить, сложная в изготовлении машина. Вам нужно взять группу атомов (в данном случае стронция, хотя цезий и иттербий также являются популярными вариантами) и подвергнуть их определенным условиям, чтобы удержать их на месте и измерить их колебания.
Атомы стронция производятся в горячей печи, в которой твердый стронций нагревается до пара. Эти атомы выбрасываются из печи, затем замедляются и охлаждаются до чрезвычайно низкой температуры -273 градусов по Цельсию, всего лишь на долю выше абсолютного нуля, в вакуумной камере, к которой команда добавила два зеркала, образующих так называемый оптический резонатор. который позволяет только определенным формам света отражаться вперед и назад.
«Когда атомы приземляются в вакуумной камере, они лежат совершенно неподвижно, потому что там очень холодно, что позволяет регистрировать их колебания с помощью два зеркала на противоположных концах камеры», — объясняет Бор.
Атомные часы уже очень точны. Наиболее точными из них, о которых было объявлено всего месяц назад в препринте, являются стронциевые часы, которые могут работать 40 миллиардов лет, не теряя времени.
Таким образом, вы можете подумать, что повышение точности — это позолота лилии, но точное ведение времени на самом деле чрезвычайно полезно для таких приложений, как измерение физического мира, навигация и проверка относительности.
Поэтому Бор и его коллеги хотели найти способ построить атомные часы, которые не теряют атомы, и для этого они применили сверхизлучение. Это когда группа возбужденных атомов синхронизирует разделение своих зарядов, коллективно излучая короткий, интенсивный импульс света, настолько точно выровненный, что его можно измерить с большой точностью.
«Зеркала заставляют атомы В совокупности они излучают мощный световой сигнал, который мы можем использовать для считывания состояния атома, что является решающим шагом для измерения времени», — говорит Бор.
«Этот метод нагревает атомы. минимально, так что все это происходит без замены атомов, и это потенциально может сделать этот метод измерения более точным».
На данный момент экспериментальные разработки команды находятся на стадии проверки концепции. Их работа показывает, что это возможно; теперь ее необходимо разработать и усовершенствовать, чтобы продвинуть область хронометрии в новом, сверхточном направлении.
«Наша схема представляет собой инновационный подход к считыванию состояния атомов, характеризующийся своей скоростью, простотой и высокой эффективностью. направленное излучение сигнальных фотонов», — пишут исследователи в своей статье.
«Непосредственные преимущества, предлагаемые нашей схемой, могут быть применены к любому квантовому датчику, основанному на считывании разницы населенностей квантового состояния».
p>
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
