Новият вид атомен часовник е по-прецизен от всеки, който все още е изграден, с възможност за безкрайно отметка за хиляди пъти по-дълъг живот на Вселената. Освен че е най-добрият хронометър до момента, новият така наречен квантов газов часовник може един ден да предложи поглед върху новата физика.
Изследователи от JILA (по-рано наричан също и Съвместния институт за лабораторна астрофизика) използваха комбинация от атоми на стронций и масив лазерни лъчи, за да създадат часовник, толкова прецизен, че може да може да измери взаимодействието на гравитацията при по-малки мащаби от всякога , По този начин това може да хвърли светлина върху естеството на връзката му с други основни сили, мистерия, която притеснява физиците от десетилетия.
Атомните часовници измерват времето, като използват вибрациите на атомите като много прецизен метроном. Сегашните атомни часовници се изключват за секунди за десетки милиарди години. Тази най-нова итерация остава достатъчно точна, че ще бъде изключена само с 1 секунда за около 90 милиарда години.
За да постигне такава точност, екипът охлажда атомите на стронций, за да не се движат и да се блъскат един в друг - нещо, което може да изхвърли вибрациите им. Първо, те удрят атомите с лазери. Когато се удрят от фотоните в лазерите, атомите поглъщат енергията си и отново излъчват фотон, губейки кинетична енергия и ставайки по-студена. Но това не ги охлажда достатъчно. За да стане още по-студено, екипът разчита на изпарителното охлаждане, което позволява на някои от атомите на стронций да се изпарят и приемат още повече енергия. Те са останали с между 10 000 и 100 000 атома, при температура само 10 до 60 милиарда градуса над абсолютна нула, или минус 459 градуса по Фаренхайт (минус 273 градуса по Целзий).
Студените атоми бяха хванати от 3D подреждане на лазери. Гредите бяха поставени така, че да пречат един на друг. По този начин те създадоха региони с ниско и високо потенциална енергия, наречени потенциални кладенци. Кладенците действат като подредени картонени яйца и всеки от тях притежава атом на стронций.
Атомите станаха толкова студени, че спряха да си взаимодействат помежду си - за разлика от нормален газ, в който атомите се разхождат на случаен принцип и отскачат от своите събратя, такива охладени атоми остават доста неподвижни. След това те започват да се държат по начин, който е по-малко като газ и по-скоро като твърдо вещество, въпреки че разстоянието между тях е много по-голямо от това, което се намира в твърдия стронций.
"От тази гледна точка това е много интересен материал; сега той има свойства, сякаш е твърдо състояние", заяви ръководителят на проекта Джун Йе, физик от Националния институт за стандарти и технологии, пред Live Science. (JILA се управлява съвместно от NIST и Университета на Колорадо в Боулдър.)
В този момент часовникът беше готов да започне да пази времето: Изследователите удариха атомите с лазер, вълнувайки един от електроните, обикалящ около ядрото на стронция. Тъй като електроните се управляват от законите на квантовата механика, не може да се каже на какво енергийно ниво е електронът, след като се възбуди, и може само да се каже, че има вероятност да бъде в едно или друго. За да измерят електрона, след 10 секунди изстрелват друг лазер към атома. Този лазер измерва мястото, където електронът се намира около ядрото, тъй като фотон от лазера се излъчва повторно от атома - и колко пъти той се колебае в този период (10-те секунди).
Оразмеряването на това измерване над хиляди атоми е това, което дава на този атомен часовник точността му, точно както усредняването на ударите на хиляди еднакви махала ще даде една по-прецизна представа за периода на това махало.
Досега атомните часовници имаха само единични "струни" от атоми, за разлика от 3D решетка, така че те не можеха да направят толкова измервания, колкото този, каза Йе.
"Това е като сравняване на часовници", каза Йе. "Използвайки тази аналогия, лазерният импулс върху атомите стартира кохерентно колебание. Десет секунди по-късно отново включваме импулса и питаме електрона:" Къде си? "" Това измерване е осреднено за хиляди атоми.
Задържането на електрони в това състояние между тях е трудно, казахте, и това е друга причина атомите да бъдат толкова студени, за да не случайно електроните да докоснат нещо друго.
Часовникът може по същество да измери секунди до 1 част в трилиони. Тази способност прави повече от наистина добър хронометър; Това може да помогне при търсенето на явления като тъмна материя, каза Йе. Например, човек би могъл да постави експеримент в космоса, използвайки такъв точен таймер, за да види дали атомите се държат различно от това, което предсказват конвенционалните теории.
Проучването е подробно описано в броя на 6 октомври на списание Science.
