Nový druh atómových hodín je presnejší ako všetky doteraz vyrobené, so schopnosťou hladko tikať tisíckrát životnosť vesmíru. Okrem toho, že sú doteraz najlepšími časomeračmi, môžu nové takzvané kvantové plynové hodiny jedného dňa poskytnúť pohľad na novú fyziku.
Vedci v JILA (predtým označovaní aj ako Spoločný inštitút pre laboratórnu astrofyziku) použili kombináciu atómov stroncia a rad laserových lúčov na vytvorenie hodín tak presných, že by mohli byť schopní zmerať interakciu gravitácie v menších mierkach ako kedykoľvek predtým. , Mohlo by to objasniť podstatu jeho vzťahu k iným základným silám, tajomstvu, ktoré po celé desaťročia zmarilo fyzikov.
Atómové hodiny merajú čas pomocou vibrácií atómov ako veľmi presný metronóm. Súčasné atómové hodiny sú vypnuté o sekundy po desiatky miliárd rokov. Táto najnovšia iterácia zostáva dostatočne presná, že sa vypne iba o 1 sekundu počas približne 90 miliárd rokov.
Aby sa dosiahla takáto presnosť, tím ochladil atómy stroncia, aby im zabránili pohybovať sa a narážať do seba - niečo, čo môže zvrhnúť ich vibrácie. Najprv dopadli na atómy pomocou laserov. Atómy, keď dopadli na fotóny v laseroch, pohltili svoju energiu a znova emitovali fotón, čím stratili kinetickú energiu a ochladili sa. Ale to ich dosť neochladilo. Aby boli ešte chladnejšie, tím sa spoliehal na odparovacie chladenie, čo umožnilo odparenie niektorých atómov stroncia a prijatie ešte viac energie. Zostali medzi 10 000 a 100 000 atómami pri teplote iba 10 až 60 miliárdtin stupňa nad absolútnou nulou alebo mínus 459 stupňov Fahrenheita (mínus 273 stupňov Celzia).
Chladné atómy boli zachytené 3D usporiadaním laserov. Lúče boli usporiadané tak, aby vzájomne zasahovali. Takto vytvorili regióny s nízkou a vysokou potenciálnou energiou, ktoré sa nazývali potenciálne studne. Jamky fungujú ako naskladané vaječné škatule a každá z nich má atóm stroncia.
Atómy sa ochladili tak, že prestali navzájom interagovať - na rozdiel od normálneho plynu, v ktorom atómy náhodne stekajú okolo seba a odrážajú sa od svojich kolegov, tieto chladené atómy zostávajú celkom pokojné. Potom sa začnú správať spôsobom, ktorý je menej ako plyn a skôr ako pevná látka, aj keď vzdialenosť medzi nimi je oveľa väčšia ako v pevnom stronciu.
„Z tohto hľadiska je to veľmi zaujímavý materiál; teraz má vlastnosti, akoby išlo o pevný stav,“ povedal vedúci projektu Jun Ye, fyzik z Národného inštitútu pre štandardy a technológie. (JILA spoločne prevádzkujú NIST a University of Colorado v Boulder.)
V tomto okamihu boli hodiny pripravené začať si udržiavať čas: Vedci narazili na atómy laserom a vzrušili jeden z elektrónov obiehajúcich jadrom stroncia. Pretože elektróny sa riadia zákonmi kvantovej mechaniky, nie je možné povedať, v akej energetickej úrovni je elektrón, keď je vzrušený, a dá sa len povedať, že má pravdepodobnosť, že bude v jednom alebo druhom. Na meranie elektrónu po 10 sekundách vystrelili na atóm iný laser. Tento laser meria miesto, kde sa elektrón nachádza okolo jadra, pretože fotón z lasera sa znova emituje atómom - a koľkokrát osciluje v tomto období (10 sekúnd).
Priemerovanie tohto merania na tisíce atómov je presne to, čo dáva týmto atómovým hodinám jeho presnosť, rovnako ako priemerovanie úderov tisícov identických kyvadiel poskytne presnejšiu predstavu o tom, aké obdobie by malo byť toto kyvadlo.
Doteraz mali atómové hodiny iba jedno „reťazce“ atómov na rozdiel od trojrozmernej mriežky, takže nemohli vykonať toľko meraní, aké urobil tento, vy.
„Je to ako porovnávať hodinky,“ povedala Ye. „Použitím tejto analógie laserový pulz na atómoch odštartuje koherentné kmitanie. O desať sekúnd neskôr znova pulz zapneme a opýtame sa elektrónu:„ Kde ste? “„ Toto meranie je spriemerované na tisíce atómov.
Udržať elektróny v tomto medziľahlom stave je ťažké, viete, a to je ďalší dôvod, prečo musia byť atómy také studené, aby sa elektróny náhodne nedotkli ničoho iného.
Hodiny dokážu merať sekundy až na 1 diel v biliónoch. Vďaka tejto schopnosti je viac ako skutočne dobrý časomerač; mohlo by to pomôcť pri hľadaní javov, ako je temná hmota, povedal Ye. Napríklad by bolo možné spustiť experiment vo vesmíre s použitím takého presného časovača, aby sa zistilo, či sa atómy správajú inak, ako predpokladajú tradičné teórie.
Štúdia je podrobne opísaná v 6. čísle časopisu Science.
