Zegary optyczne, które wykorzystują ultrazimne atomy uwięzione w strukturze laserowej zwanej siatką optyczną, stanowią obecnie czołówkę technologii pomiaru czasu – przewyższając dokładnością tradycjonalne zegary atomowe oparte na mikrofalach. W najnowszym eksperymencie badacze skoncentrowali się na optycznym zegarze opartym na atomach strontu (Sr), próbując wydłużyć czas, przez jaki atomy zachowują koherencję kwantową – innymi słowy, są w stanie pozostawać w synchronizacji pomiędzy swoimi stanami kwantowymi bez dekoherencji.
Czytaj też: Z chaosu powstał najdziwniejszy zegar na świecie. Mierzy czas wykorzystując kompletny przypadek
Teraz naukowcy z JILA, National Institute of Standards and Technology oraz University of Chicag osiągnęli rekordowy czas koherencji wynoszący 118 sekund. Choć liczba ta może nie prezentować się imponująco, w świecie metrologii stanowi prawdziwy przełom, otwierając drzwi do zupełnie nowych możliwości badawczych.
Zegary atomowe mogą być jeszcze dokładniejsze
Kluczem do sukcesu okazało się zastosowanie niestandardowego rozwiązania konstrukcyjnego. Zespół wykorzystał dużą objętość pułapkowania osiągniętą za pomocą wnęki optycznej, co pozwoliło na radykalne zmniejszenie gęstości atomowej.
Czytaj też: To atomowy przełom. Największy stellarator na świecie wyprodukował właśnie hel-3
Jak wyjaśnia Kyungtae Kim, pierwszy autor publikacji:
Aby poprawić stabilność pomiaru częstotliwości, chcemy, aby wiele atomów zmniejszyło kwantowy szum projekcji. Zwiększenie liczby atomów jednakże zwiększa również kolizyjne przesunięcia częstotliwości i dyfuzję fazową, co z kolei ogranicza czas koherencji i precyzję. Kluczową cechą konstrukcyjną naszego zegara jest duża objętość pułapkowania, osiągnięta za pomocą wnęki optycznej, co zmniejsza gęstość atomową.
Równie istotne okazało się precyzyjne ustawienie sieci optycznej wzdłuż kierunku grawitacji, tworząc nachylony potencjał sieciowy. Dzięki zjawisku lokalizacji Wanniera-Starka ten zabieg skutecznie utrudnił atomom poruszanie się, nawet w płytszych rejonach pułapki.
Co ciekawe, zespół nie poprzestał na samym osiągnięciu rekordu, ale przeprowadził dogłębną analizę mechanizmów ograniczających koherencję atomową. Okazało się, że w zależności od głębokości sieci optycznej działają dwa różne źródła zakłóceń.
Kim szczegółowo opisuje te zjawiska:
Atomy w tym samym miejscu sieci zachowują się jak identyczne fermiony i oddziałują tylko poprzez interakcje p-falowe. Jednak atomy mogą nadal oddziaływać poprzez zderzenia s-falowe pochodzące z dwóch źródeł: interakcji między różnymi miejscami, ponieważ atomy w różnych miejscach doświadczają różnych faz lasera; oraz interakcji z atomami-widmami tworzonymi, gdy fotony sieciowe rozpraszają atomy do innych stanów spinu jądrowego.
Przy płytkich ustawieniach sieci dominują interakcje między różnymi miejscami, podczas gdy przy głębszych konfiguracjach głównym wyzwaniem stają się oddziaływania z atomami-widmami. To odkrycie stanowi kluczowy punkt wyjścia dla przyszłych udoskonaleń tej technologii.
Osiągnięty poziom precyzji robi wrażenie – zegar wykazuje niestabilność atomową na poziomie 1,5×10^-18 przy jednej sekundzie pomiaru. W praktyce oznacza to, że urządzenie mogłoby działać przez ok. 20 mld lat z błędem nieprzekraczającym jednej sekundy. Dla porównania, wiek wszechświata szacuje się na niecałe 14 mld lat.
Tak niezwykła dokładność znajduje już praktyczne zastosowania. Zespół zademonstrował możliwość pomiaru grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni z rozdzielczością poniżej jednego milimetra, co może zrewolucjonizować takie dziedziny jak geodezja czy badania geofizyczne.
Patrząc w przyszłość, badacze mają ambitne plany. Jak zapowiada Kim:
Co ważniejsze, jesteśmy teraz podekscytowani perspektywą połączenia interferometrii atomowej (do grawimetrii) z zegarami atomowymi (do pomiarów przesunięcia ku czerwieni) w ramach tej samej platformy eksperymentalnej. Metody zademonstrowane tutaj zostały już zastosowane w tym kierunku i dostarczają cennych wskazówek dla przyszłych ulepszeń.
Obecnie zespół koncentruje się na opracowaniu strategii tłumienia interakcji między sąsiednimi miejscami sieci, co mogłoby pozwolić na osiągnięcie jeszcze dłuższych czasów koherencji w zegarach o wysokiej gęstości atomowej. Połączenie różnych technik atomowych na jednej platformie może ostatecznie doprowadzić do stworzenia uniwersalnych instrumentów pomiarowych o niespotykanej dotąd precyzji.