_ Atomii superradianți ar putea depăși granițele despre cât de precis poate fi măsurat timpul

Atomii superradianți ne pot ajuta să măsurăm timpul mai precis decât oricând. Într-un studiu recent, cercetătorii de la Universitatea din Copenhaga prezintă o nouă metodă de măsurare a intervalului de timp, a doua, atenuând unele dintre limitările cu care se confruntă cele mai avansate ceasuri atomice de astăzi. Rezultatul ar putea avea implicații largi în domenii precum călătoriile în spațiu, erupțiile vulcanice și sistemele GPS.

A doua este cea mai precisă unitate de măsură definită, în comparație cu alte unități de bază, cum ar fi kilogramul, metrul și gradul Kelvin. Timpul este măsurat în prezent cu ceasurile atomice din diferite locuri din lume, care împreună, ne spun cât este ceasul. Folosind undele radio, ceasurile atomice trimit continuu semnale care ne sincronizează computerele, telefoanele și ceasurile de mână.

Oscilațiile sunt cheia păstrării timpului. Într-un ceas bunic, aceste oscilații sunt de la oscilarea unui pendul dintr-o parte în alta în fiecare secundă, în timp ce într-un ceas atomic, este un fascicul laser care corespunde unei tranziții energetice în stronțiu și oscilează de aproximativ un milion de miliarde de ori pe secundă.

Dar conform Ph.D. colegul Eliot Bohr de la Institutul Niels Bohr — strănepotul lui Niels Bohr — chiar și ceasurile atomice ar putea deveni mai precise. Acest lucru se datorează faptului că laserul de detectare, folosit de majoritatea ceasurilor atomice moderne pentru a citi oscilația atomilor, încălzește atomii atât de mult încât ei scapă – ceea ce degradează precizia.

„Deoarece atomii trebuie în mod constant înlocuiți. cu atomi noi proaspeți, în timp ce se pregătesc noi atomi, ceasul pierde foarte ușor timpul. Prin urmare, încercăm să depășim unele dintre provocările și limitările actuale ale celor mai bune ceasuri atomice din lume, printre altele, reutilizand atomii. că nu trebuie înlocuite la fel de des”, explică Bohr, care era angajat la Institutul Niels Bohr când a făcut cercetarea, dar care acum este doctor. coleg la Universitatea din Colorado.

El este autorul principal al unui nou studiu publicat în revista Nature Communications, care folosește un mod inovator și poate mai eficient de a măsura timpul.

Metodologia actuală constă într-un cuptor fierbinte care scuipă aproximativ 300 de milioane de atomi de stronțiu într-o minge extraordinar de rece de atomi reci cunoscută sub numele de capcană magneto-optică sau MOT. Temperatura acestor atomi este de aproximativ -273°C - foarte aproape de zero absolut - și există două oglinzi cu un câmp luminos între ei pentru a îmbunătăți interacțiunile atomice. Împreună cu colegii săi de cercetare, Bohr a dezvoltat o nouă metodă de a citi atomii.

„Când atomii aterizează în camera de vid, ei stau complet nemișcați pentru că este atât de rece, ceea ce face posibilă înregistrează oscilațiile lor cu cele două oglinzi de la capetele opuse ale camerei”, explică Bohr.

Motivul pentru care cercetătorii nu au nevoie să încălzească atomii cu un laser și să-i distrugă este datorită unei fizice cuantice. fenomen cunoscut sub numele de „superradianță”. Fenomenul are loc atunci când grupul de atomi de stronțiu este încurcat și în același timp emite lumină în câmpul dintre cele două oglinzi.

„Oglinzile fac ca atomii să se comporte ca o singură unitate. În mod colectiv, ei emit un semnal luminos puternic pe care îl putem folosi pentru a citi starea atomică, un pas crucial pentru măsurarea timpului. Această metodă încălzește atomii minim, așa că totul se întâmplă fără a înlocui atomii, iar acest lucru are potențialul de a o face mai precisă. metoda de măsurare”, explică Bohr.

GPS, misiuni spațiale și erupții vulcanice

Potrivit lui Bohr, noul rezultat al cercetării poate fi benefic pentru dezvoltarea unui sistem GPS mai precis. Într-adevăr, cei aproximativ 30 de sateliți care înconjoară constant Pământul și ne spun unde ne aflăm au ​​nevoie de ceasuri atomice pentru a măsura timpul.

„De câte ori sateliții determină poziția telefonului sau a GPS-ului dvs., utilizați un ceas atomic într-un satelit. Precizia ceasurilor atomice este atât de importantă încât, dacă acel ceas atomic este oprit cu o microsecundă, este înseamnă o inexactitate de aproximativ 100 de metri pe suprafața Pământului”, explică Bohr.

Misiunile spațiale viitoare sunt un alt domeniu în care cercetătorul prevede că ceasuri atomice mai precise au un impact semnificativ.

" Când oamenii și ambarcațiunile sunt trimise în spațiu, se aventurează și mai departe de sateliții noștri, prin urmare, cerințele pentru măsurători precise ale timpului pentru a naviga în spațiu sunt mult mai mari”, spune el.

Rezultatul ar putea, de asemenea. să fie de ajutor în dezvoltarea unei noi generații de ceasuri atomice mai mici, portabile, care ar putea fi folosite pentru mai mult decât „doar” timp de măsurare.

„Ceasurile atomice sunt sensibile la schimbările gravitaționale și, prin urmare, pot fi folosite pentru a detecta schimbări în masa și gravitația Pământului, iar acest lucru ne-ar putea ajuta să anticipăm când vor avea loc erupții vulcanice și cutremure”, spune Bohr.

Bohr subliniază că, deși noua metodă care folosește atomi superradianți este foarte promițătoare, este totuși o „dovada conceptului” care necesită o rafinare suplimentară.

Cercetarea a fost realizată de echipa formată din Jörg Helge Müller și Jan Thomsen de la Institutul Niels Bohr, în colaborare cu Ph.D. studenții Sofus Laguna Kristensen și Julian Robinson-Tait și postdoc Stefan Alaric Schäffer. Proiectul a inclus și contribuții ale teoreticienilor Helmut Ritsch și Christoph Hotter de la Universitatea din Innsbruck, precum și ale Tanya Zelevinsky de la Universitatea Columbia. Această lucrare subliniază importanța colaborării internaționale în științe.

(Fluierul)