Nova vrsta atomskog sata preciznija je od svih do sada izgrađenih, s mogućnošću glatkog otkucaja tisuću puta vijeka trajanja svemira. Pored toga što je najbolji mjerač vremena, novi, takozvani kvantni plinski sat mogao bi jednog dana ponuditi uvid u novu fiziku.
Istraživači s JILA (prethodno zvani Zajednički institut za laboratorijsku astrofiziku) upotrijebili su kombinaciju atoma stroncija i niza laserskih zraka kako bi stvorili sat toliko precizan da bi mogao mjeriti interakciju gravitacije na manjim mjerilima nego ikad prije , Čineći to, moglo bi osvijetliti prirodu svog odnosa prema drugim temeljnim silama, misteriju koja je desetljećima zbunjivala fizičare.
Atomski satovi mjere vrijeme pomoću vibracija atoma poput vrlo preciznog metronoma. Trenutni atomski satovi isključuju se za nekoliko sekundi u desetinama milijardi godina. Ova najnovija iteracija ostaje dovoljno precizna da će se ugasiti za samo 1 sekundu tijekom oko 90 milijardi godina.
Kako bi postigli takvu preciznost, tim je ohladio atome stroncija kako bi ih se spriječio da se kreću i nabijaju jedan na drugog - nešto što može odbaciti njihove vibracije. Prvo su laserima pogodili atome. Prilikom udaranja fotona u laserima, atomi su apsorbirali svoju energiju i ponovno emitirali foton, gubeći kinetičku energiju i postajući hladniji. Ali to ih nije dovoljno ohladilo. Kako bi ih učinili još hladnijima, tim se oslanjao na isparavanje hlađenjem, dopuštajući nekim atomima stroncija da ispare i prihvate još više energije. Ostalo im je između 10.000 i 100.000 atoma, na temperaturi od samo 10 do 60 milijardi milijardi stupnjeva iznad apsolutne nule, ili minus 459 stupnjeva Farenhajta (minus 273 stupnja Celzija).
Hladni atomi bili su zarobljeni 3D rasporedom lasera. Grede su bile postavljene tako da se mešaju jedna s drugom. Kako su to učinili, stvorili su regije s niskim i visokim potencijalom energije, nazvane potencijalni izvori. Bušotine djeluju poput naslaganih kartona, a svaka sadrži atom stroncija.
Atomi su postali toliko hladni da su prestali međusobno komunicirati - za razliku od normalnog plina, u kojem se atomi nasumice okreću i odbijaju svoje kolege, takvi hlađeni atomi ostaju sasvim mirni. Tada se počinju ponašati na način koji je manje poput plina i više poput krute tvari, iako je udaljenost između njih mnogo veća nego što se nalazi u čvrstom stronciju.
"S tog gledišta, to je vrlo zanimljiv materijal; sada ima svojstva kao da je čvrsto stanje", rekao je Live Science vođa projekta Jun Ye, fizičar Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju. (JILA-om zajednički djeluju NIST i Sveučilište u Coloradu u Boulderu.)
U ovom je trenutku sat bio spreman za čuvanje vremena: Istraživači su laserom pogodili atome, uzbudivši jedan od elektrona koji orbitira oko jezgre stroncija. Budući da se elektronima upravlja zakonima kvantne mehanike, ne može se reći koja je razina energije u kojoj je elektron jednom kada je pobuđen, i može se reći samo da postoji vjerojatnost da će biti u ovom ili onom drugom. Da bi izmjerili elektron, nakon 10 sekundi ispalili su još jedan laser na atom. Taj laser mjeri gdje se elektron nalazi oko jezgre, jer ga foton iz lasera ponovo emitira atom - i koliko puta je oscilirao u tom razdoblju (tih 10 sekundi).
Usrednjavanje ovog mjerenja na tisućama atoma ono je što ovom atomskom satu daje preciznost, baš kao što će prosječenje otkucaja tisuća identičnih klatna dati još precizniju predstavu o tome kakvo bi razdoblje trebalo biti.
Do sada su atomski satovi imali samo pojedine "nizove" atoma za razliku od 3D rešetke, tako da nisu mogli izvršiti toliko mjerenja kao ovaj, rekao je Ye.
"To je poput uspoređivanja satova", rekao je Ye. "Pomoću te analogije, laserski impuls na atomima pokreće koherentnu oscilaciju. Deset sekundi kasnije ponovo uključimo impuls i pitamo elektrona:" Gdje si? "" To je mjerenje prosječno na tisuće atoma.
Teško je držati elektrone u tom međusobnom stanju, i to je još jedan razlog da atomi moraju biti tako hladni da elektroni slučajno ne dodirnu ništa drugo.
Sat u osnovi može mjeriti sekunde do 1 dijela u bilionima. Ova sposobnost čini više od stvarno dobrog vremena; To bi moglo pomoći u potrazi za fenomenima poput tamne materije, rekao je Ye. Na primjer, moglo bi se postaviti pokus u svemiru koristeći tako precizan tajmer da se vidi da li se atomi ponašaju drugačije od onoga što predviđaju konvencionalne teorije.
Studija je detaljno opisana u broju za časopis Science.
