Новый тип атомных часов более точен, чем любые еще построенные, с возможностью плавного тикания в тысячу раз больше времени существования вселенной. В дополнение к тому, что они являются лучшими хронометристами на сегодняшний день, новые так называемые квантовые газовые часы могут однажды дать представление о новой физике.
Исследователи из JILA (ранее также называвшегося Объединенным институтом лабораторной астрофизики) использовали комбинацию атомов стронция и матрицы лазерных лучей для создания часов, настолько точных, что они могли бы измерять гравитационное взаимодействие в меньших масштабах, чем когда-либо прежде. , При этом он мог бы пролить свет на характер его отношений с другими фундаментальными силами, и эта загадка сбивала физиков с толку на протяжении десятилетий.
Атомные часы измеряют время, используя колебания атомов, как очень точный метроном. Текущие атомные часы отключаются на секунды за десятки миллиардов лет. Эта новейшая итерация остается достаточно точной, чтобы отключиться всего на 1 секунду в течение примерно 90 миллиардов лет.
Чтобы получить такую точность, команда охладила атомы стронция, чтобы они не могли двигаться и сталкиваться друг с другом - что может отбрасывать их вибрации. Сначала они поражают атомы лазерами. При попадании фотонов в лазеры атомы поглощали свою энергию и переизлучали фотон, теряя кинетическую энергию и становясь холоднее. Но это не охладило их достаточно. Таким образом, чтобы сделать их еще холоднее, команда полагалась на испарительное охлаждение, позволяющее некоторым атомам стронция испаряться и принимать еще больше энергии. На них оставалось от 10 000 до 100 000 атомов при температуре всего от 10 до 60 миллиардов градусов выше абсолютного нуля или минус 459 градусов по Фаренгейту (минус 273 градуса по Цельсию).
Холодные атомы были захвачены трехмерным расположением лазеров. Лучи были настроены так, чтобы мешать друг другу. Сделав это, они создали области с низкой и высокой потенциальной энергией, называемые потенциальными ямами. Колодцы действуют как сложенные в коробку яйца, и в каждой из них находится атом стронция.
Атомы стали настолько холодными, что перестали взаимодействовать друг с другом - в отличие от обычного газа, в котором атомы беспорядочно бегают и отскакивают от своих собратьев, такие охлажденные атомы остаются совершенно неподвижными. Затем они начинают вести себя не так, как газ, а как твердое тело, хотя расстояние между ними намного больше, чем в твердом стронции.
«С этой точки зрения, это очень интересный материал; теперь он обладает свойствами, как если бы он был в твердом состоянии», - сказал в интервью Live Science руководитель проекта Джун Е., физик из Национального института стандартов и технологий. (JILA совместно управляется NIST и Университетом Колорадо в Боулдере.)
В этот момент часы были готовы начать отсчет времени: исследователи ударили атомы лазером, возбуждая один из электронов, вращающихся вокруг ядра стронция. Поскольку электроны подчиняются законам квантовой механики, нельзя сказать, на каком энергетическом уровне находится электрон, когда он возбужден, и лишь сказать, что у него есть вероятность оказаться в том или ином. Чтобы измерить электрон, через 10 секунд они запустили еще один лазер в атом. Этот лазер измеряет, где электрон расположен вокруг ядра, как фотон от лазера переизлучается атомом - и сколько раз он колебался за этот период (10 секунд).
Усреднение этого измерения по тысячам атомов - вот что придает этим атомным часам точность, так же как усреднение биений тысяч одинаковых маятников даст более точное представление о том, каким должен быть период этого маятника.
До сих пор атомные часы имели только одиночные «цепочки» атомов, в отличие от трехмерной решетки, поэтому они не могли проводить столько измерений, сколько это, сказал Е.
«Это как сравнивать часы», - сказал Вы. «Используя эту аналогию, лазерный импульс на атомах запускает когерентное колебание. Через десять секунд мы снова включаем импульс и спрашиваем электрон:« Где вы? ». Это измерение усредняется по тысячам атомов.
Вы сказали, что удерживать электроны в этом промежуточном состоянии сложно, и это еще одна причина, по которой атомы должны быть настолько холодными, чтобы электроны случайно не касались чего-либо еще.
Часы могут измерять секунды до 1 части в триллионах. Эта способность делает больше, чем действительно хороший хронометрист; По его словам, это может помочь в поиске таких явлений, как темная материя. Например, можно провести эксперимент в космосе, используя такой точный таймер, чтобы увидеть, ведут ли себя атомы иначе, чем предсказывают традиционные теории.
Исследование подробно описано в выпуске журнала Science 6 октября.
