Ένα νέο είδος ατομικού ρολογιού είναι ακριβέστερο από οποιοδήποτε άλλο που έχει κατασκευαστεί, με την ικανότητα να χτυπά ομαλά για χίλιες φορές τη διάρκεια ζωής του σύμπαντος. Εκτός από το να είναι ο καλύτερος χρονομέτρης μέχρι σήμερα, το νέο λεγόμενο ρολόι κβαντικού αερίου μπορεί μια μέρα να προσφέρει πληροφορίες για τη νέα φυσική.
Οι ερευνητές της JILA (που στο παρελθόν αναφέρεται και ως Joint Institute for Laboratory Astrophysics) χρησιμοποίησαν συνδυασμό ατόμων strontium και δέσμη ακτίνων λέιζερ για να δημιουργήσουν ένα ρολόι τόσο ακριβές που θα μπορούσε να μετρήσει την αλληλεπίδραση βαρύτητας σε μικρότερες κλίμακες από ποτέ . Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσε να ρίξει φως στη φύση της σχέσης του με άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, ένα μυστήριο που έχει μπερδέψει τους φυσικούς εδώ και δεκαετίες.
Τα ατομικά ρολόγια μετρούν το χρόνο χρησιμοποιώντας τις δονήσεις των ατόμων όπως ένα πολύ ακριβές μετρονόμο. Τα τρέχοντα ατομικά ρολόγια είναι εκτός δευτερολέπτων για δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή η νεότερη επανάληψη παραμένει αρκετά ακριβής ώστε να είναι εκτός λειτουργίας μόνο 1 δευτερόλεπτο για περίπου 90 δισεκατομμύρια χρόνια.
Για να πάρει αυτό το είδος ακρίβειας, η ομάδα ψύχθηκε άτομα στροντίου για να τους κρατήσει να μην κινούνται και να χτυπούν το ένα στο άλλο - κάτι που μπορεί να πετάξει τους δονήσεις τους. Πρώτον, χτύπησαν τα άτομα με λέιζερ. Όταν χτυπιούνται από τα φωτόνια στα λέιζερ, τα άτομα απορροφούν την ενέργεια τους και εκπέμπουν εκ νέου ένα φωτόνιο, χάνουν κινητική ενέργεια και παίρνουν ψυχρότερα. Αλλά αυτό δεν τους έψαχνε αρκετά. Έτσι, για να φτάσουν ακόμα πιο κρύες, η ομάδα βασίστηκε στην ψύξη με εξάτμιση, επιτρέποντας σε κάποια από τα άτομα του στροντίου να εξατμιστούν και να δεχθούν ακόμα περισσότερη ενέργεια. Αφέθηκαν μεταξύ 10.000 και 100.000 ατόμων, σε θερμοκρασία μόλις 10 έως 60 δισεκατομμυρίων ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν ή μείον 459 βαθμούς Φαρενάιτ (μείον 273 βαθμούς Κελσίου).
Τα ψυχρά άτομα παγιδεύτηκαν από μια τρισδιάστατη διάταξη λέιζερ. Οι δοκοί ρυθμίστηκαν για να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Καθώς το έπραξαν, δημιούργησαν περιοχές χαμηλής και υψηλής δυναμικής ενέργειας, που ονομάζονται πιθανά πηγάδια. Τα πηγάδια λειτουργούν σαν στοίβα χαρτοκιβώτια αυγών, και καθένας κρατά ένα άτομο στροντίου.
Τα άτομα πήραν τόσο κρύο που σταμάτησαν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους - σε αντίθεση με ένα κανονικό αέριο, στο οποίο τα άτομα τρέχουν τυχαία και αναπηδούν από τους συναδέλφους τους, τέτοια ψυχρά άτομα παραμένουν εντελώς ακίνητα. Στη συνέχεια αρχίζουν να συμπεριφέρονται με έναν τρόπο που είναι λιγότερο σαν ένα αέριο και περισσότερο σαν ένα στερεό, αν και η απόσταση μεταξύ τους είναι πολύ μεγαλύτερη από ό, τι βρίσκεται στο στερεό στροντίου.
"Από αυτή την άποψη, είναι ένα πολύ ενδιαφέρον υλικό, τώρα έχει ιδιότητες σαν να είναι ένα στερεό κράτος", δήλωσε στο Live Science ο ηγέτης του έργου Jun Ye, φυσικός του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας. (Η JILA λειτουργεί από κοινού από το NIST και το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder.)
Σε αυτό το σημείο, το ρολόι ήταν έτοιμο να αρχίσει να κρατάει το χρόνο: Οι ερευνητές χτύπησαν τα άτομα με ένα λέιζερ, προκαλώντας ένα από τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα του στροντίου. Επειδή τα ηλεκτρόνια διέπονται από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, δεν μπορεί κανείς να πει τι ενεργειακό επίπεδο είναι το ηλεκτρόνιο όταν είναι ενθουσιασμένο και μπορεί μόνο να πει ότι έχει την πιθανότητα να βρίσκεται μέσα σε ένα ή το άλλο. Για να μετρήσουν το ηλεκτρόνιο, μετά από 10 δευτερόλεπτα, πυροβόλησαν ένα άλλο λέιζερ στο άτομο. Αυτό το λέιζερ μετράει όπου το ηλεκτρόνιο βρίσκεται γύρω από τον πυρήνα, καθώς ένα φωτόνιο από το λέιζερ παίρνει εκ νέου εκπέμπεται από το άτομο - και πόσες φορές ταλαντεύτηκε σε εκείνη την περίοδο (τα 10 δευτερόλεπτα).
Ο μέσος όρος αυτής της μέτρησης πάνω από χιλιάδες άτομα είναι αυτό που δίνει αυτό το ατομικό ρολόι την ακρίβειά του, ακριβώς όπως ο μέσος όρος των κτύπων χιλιάδων πανομοιότυπων εκκρεμών θα δώσει μια πιο ακριβή ιδέα για το ποια θα είναι η περίοδος του εκκρεμούς.
Μέχρι τώρα, τα ατομικά ρολόγια είχαν μόνο μεμονωμένες "χορδές" ατόμων σε αντίθεση με ένα τρισδιάστατο πλέγμα, οπότε δεν μπορούσαν να πάρουν όσες μετρήσεις έκαναν αυτό, είπατε.
"Είναι σαν να συγκρίνεις ρολόγια", είπατε. "Χρησιμοποιώντας αυτή την αναλογία, ο παλμός λέιζερ στα άτομα ξεκινά μια συνεκτική ταλάντωση. Δέκα δευτερόλεπτα αργότερα ενεργοποιούμε πάλι τον παλμό και ρωτάμε το ηλεκτρόνιο:" Πού είσαι; "" Αυτή η μέτρηση υπολογίζεται κατά μέσο όρο σε χιλιάδες άτομα.
Κρατώντας ηλεκτρόνια σε αυτό το μεταξύ-κατάσταση είναι δύσκολο, είπατε, και αυτός είναι άλλος λόγος που τα άτομα πρέπει να είναι τόσο κρύα, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να μην αγγίζουν τυχαία τίποτα άλλο.
Το ρολόι μπορεί ουσιαστικά να μετράει δευτερόλεπτα έως 1 μέρος σε τρισεκατομμύρια. Αυτή η ικανότητα είναι κάτι περισσότερο από ένα πραγματικά καλό χρονόμετρο. μπορεί να βοηθήσει στην αναζήτηση φαινομένων όπως η σκοτεινή ύλη, είπατε. Για παράδειγμα, κάποιος θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα πείραμα στο διάστημα χρησιμοποιώντας ένα τέτοιο ακριβές χρονοδιακόπτη για να δει αν τα άτομα συμπεριφέρονται διαφορετικά από ό, τι προβλέπουν οι συμβατικές θεωρίες.
Η μελέτη περιγράφεται λεπτομερώς στο τεύχος 6 του περιοδικού Science.
