87
Крошечные тикающие атомы являются метрикой, с помощью которой мы наиболее точно измеряем течение времени. Поскольку они висят в сложных сверххолодных магнитных паутинах, мы исследуем их лазерами, чтобы измерить их колебания туда-сюда.
Однако сам процесс измерения может привести к тому, что атомные часы начнут разрушаться. Лазеры нагревают атомы, и они вылетают в пустоту. Квантовое явление под названием суперизлучения, как обнаружили физики, может решить эту проблему – сделать самые точные часы на Земле еще более точными.
"Поскольку атомы постоянно нуждаются в замене свежими новыми атомами, пока новые атомы готовятся, часы теряют время очень незначительно", - объясняет физик Элиот Бор, бывший сотрудник Копенгагенского университета, а ныне - Университета штата Колорадо.
“Поэтому мы стараемся преодолеть некоторые из текущих проблем и ограничений лучших в мире атомных часов, в частности путем повторного использования атомов, чтобы их не нужно было так часто заменять”.
Атомные часы, как вы наверняка можете себе представить, являются сложной машиной для постройки. Нужно взять группу атомов – в этом случае стронций, хотя цезий и иттербий также популярны – и подвергнуть их определенным условиям, чтобы удержать их на месте и измерить их колебания.
Атомы стронция получают в горячей печи, которая нагревает твердый стронций до образования пара. Эти атомы выбрасываются из печи, затем замедляются и охлаждаются до чрезвычайно низкой температуры -273 градусов Цельсия, только на долю выше абсолютного нуля, в вакуумной камере, к которой команда добавила два зеркала, образуя так называемую оптическую полость, позволяющую отражать только определенные паттерны света. туда и обратно.
"Когда атомы попадают в вакуумную камеру, они лежат совершенно неподвижно, потому что там очень холодно, что позволяет регистрировать их колебания с помощью двух зеркал на противоположных концах камеры", – объясняет Бор.
Сейчас атомные часы уже очень точны. Самый точный из них, анонсированный всего месяц назад в препринте, – это стронциевые часы, которые могут работать 40 миллиардов лет, не теряя времени.
Вы можете подумать, что повышение точности – это позолотить лилию, но точный хронометраж действительно полезен для таких применений, как измерение физического мира, навигация, тесты теории относительности.
Поэтому Бор и его коллеги хотели найти способ создать атомные часы, которые не теряют атомов, и для этого они воспользовались надизлучением. Это когда группа возбужденных атомов синхронизирует разделение собственных зарядов, коллективно излучая маленький, интенсивный импульс света, так аккуратненько выровненный, что его можно измерить с большой точностью.
“Зеркала заставляют атомы вести себя как единое целое. Вместе они излучают мощный световой сигнал, который можно использовать для считывания атомного состояния, что является решающим шагом для измерения времени”, – говорит Бор.
"Этот метод минимально нагревает атомы, поэтому все происходит без замены атомов, и это имеет потенциал сделать его более точным методом измерения".
В настоящее время экспериментальные разработки команды находятся на стадии подтверждения концепции. Их работа показывает, что возможно; теперь ее нужно развивать и совершенствовать, чтобы продвинуть хронометрию в новом, сверхточном направлении.
"Наша схема является инновационным подходом к считыванию атомного состояния, которое характеризуется быстротой, простотой и высоконаправленным излучением сигнальных фотонов", – пишут исследователи в своей работе.
"Непосредственные преимущества нашей схемы могут быть применены к любому квантовому сенсору, основанному на считывании разности обитаемости квантового состояния".
