12:08 2024-01-27
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Interacțiuni dipol-dipol: Observarea unei noi schimbări sistematice a ceasului
_ Interacțiuni dipol-dipol: observare o nouă schimbare sistematică a ceasului
Într-un nou studiu publicat astăzi în Science, JILA și NIST (Institutul Național de Standarde și Tehnologie) Jun Ye și echipa sa de cercetare au făcut un pas semnificativ în înțelegerea complexului și colectiv. interacțiunile atomului de lumină din ceasurile atomice, cele mai precise ceasuri din univers.
Folosind o rețea cubică, cercetătorii au măsurat schimbările specifice de energie în cadrul șirului de atomi de stronțiu-87 din cauza interacțiunilor dipol-dipol. Cu o densitate mare de atomi, aceste schimbări de frecvență la nivel de mHz - cunoscute sub denumirea de deplasări cooperative Lamb - au fost studiate spectroscopic. Aceste deplasări au fost studiate spațial și comparate cu valorile calculate folosind tehnici de spectroscopie imagistică dezvoltate în acest experiment.
Aceste deplasări cooperante Lamb, numite deoarece prezența multor atomi identici într-un spațiu strâns limitat modifică structura modului electromagnetic din jurul acestea, sunt un factor important, deoarece numărul de atomi din ceasuri continuă să crească.
„Dacă puteți înțelege și controla aceste interacțiuni la densitate mare în această grilă, puteți oricând să faceți grila din ce în ce mai mare, ", explică studentul absolvent al JILA William Milner, al doilea autor al lucrării. „Este o tehnologie în mod inerent scalabilă, importantă pentru îmbunătățirea performanței ceasului.”
Ceasurile atomice, considerate de mult timp ca vârful preciziei, funcționează pe principiul măsurării frecvenței luminii absorbite sau emise de atomi. Fiecare ticăitură a acestor ceasuri este guvernată de oscilațiile suprapunerii cuantice a electronilor în interiorul acestor atomi, stimulate de energia corespunzătoare de la un laser de sondare. Laserul excită atomii într-o stare cuantică cunoscută sub denumirea de stare de ceas.
În timp ce ceasurile cu rețea optică tradițională folosesc o rețea optică unidimensională, suprimând mișcările atomilor doar de-a lungul unei direcții puternic limitate, stronțiul. Ceasul cuantic cu gaz folosit în acest studiu a limitat atomii în toate direcțiile, plasându-i într-un aranjament cubic. În timp ce utilizarea unei rețele 3D este o geometrie de ceas atractivă, necesită, de asemenea, pregătirea unui gaz cuantic ultrarece de atomi și încărcarea cu atenție a acestora în rețea.
„Este mai complicat, dar are câteva beneficii unice, deoarece sistemul prezintă mai multe proprietăți cuantice”, elaborează Milner.
În fizica cuantică, aranjarea spațială a particulelor influențează critic comportamentul lor. Cu uniformitatea și echilibrul său, rețeaua cubică a creat un mediu controlat în care interacțiunile atomice erau observabile și manipulabile cu o precizie fără precedent.
Folosind rețeaua cubică, Ross Hutson (un recent absolvent de doctorat JILA), Milner , și ceilalți cercetători din laboratorul Ye, au reușit să faciliteze și să măsoare interacțiunile dipol-dipol dintre atomii de stronțiu. Aceste deplasări, în mod normal atât de mici încât sunt neglijate, apar din interferența colectivă dintre atomii care se comportă ca dipoli atunci când sunt pregătiți într-o suprapunere a celor două stări de ceas.
Deoarece ordonarea spațială a atomilor în interiorul cubicului. rețeaua influențează cuplarea dipolară, cercetătorii ar putea amplifica sau diminua interacțiunile dipolului prin manipularea unghiului laserului ceasului față de rețea. Funcționând într-un unghi special – unghiul Bragg – cercetătorii se așteptau la o interferență constructivă puternică și au observat o schimbare a frecvenței în mod corespunzător mai mare.
Cu interacțiuni mai puternice dipol-dipol care au loc în rețea, cercetătorii au descoperit că aceste interacțiuni au creat local. energia se schimbă în întregul sistem de ceas.
Aceste schimbări de energie, sau schimbări cooperante de Lamb, sunt efecte foarte mici, care sunt în mod normal greu de detectat. Atunci când mulți atomi sunt grupați, cum ar fi într-o rețea de ceas cubic, aceste schimbări devin o chestiune colectivă și sunt relevate de precizia de măsurare a ceasului nou atinsă. Lăsate necontrolate, ele pot afecta acuratețea ceasurilor atomice.
„Aceste [schimbări] au fost propuse inițial în 2004 ca un lucru futurist de care să vă faceți griji [pentru acuratețea ceasului]”, adaugă Milner. „Acum, sunt dintr-o dată mai relevanți [pe măsură ce adăugați mai mulți atomi la rețea].”
De parcă măsurarea acestor schimbări nu ar fi suficient de interesantă, și mai interesant a fost că cercetătorii au văzut că cooperativa Deplasările Lamb nu au fost uniforme de-a lungul rețelei, ci au variat în funcție de locația specifică a fiecărui atom.
Această variație locală este semnificativă pentru măsurarea ceasului: implică faptul că frecvența la care atomii oscilează și, prin urmare, ceasul „ ticking,' ar putea diferi ușor de la o parte a rețelei la alta. O astfel de dependență spațială a schimburilor cooperative Lamb este o schimbare sistematică importantă de înțeles, deoarece cercetătorii se străduiesc să îmbunătățească precizia cronometrului.
„Măsurând aceste schimbări și văzându-le aliniate cu valorile noastre prezise, putem calibra ceasul la fii mai precis”, spune Milner.
Din măsurătorile lor, echipa și-a dat seama că există o legătură strânsă între deplasările cooperante de Lamb și direcția de propagare a laserului sondei de ceas în interiorul rețelei. Această relație le-a permis să găsească un unghi specific în care a fost observată o „încrucișare cu zero” și semnul deplasării de frecvență a trecut de la pozitiv la negativ.
„Este o stare cuantică specială care experimentează o schimbare colectivă Lamb zero ( suprapunerea egală a stării fundamentale și a stării excitate),” explică studentul absolvent al JILA Lingfeng Yan. Jucându-se cu legătura dintre unghiul de propagare a laserului în raport cu rețeaua cubică și schimburile cooperante de Lamb a permis cercetătorilor să ajusteze mai mult ceasul pentru a fi mai robusti împotriva acestor schimbări de energie.
Dincolo de control. și minimizând aceste interacțiuni dipol-dipol în rețeaua cubică, cercetătorii JILA speră să folosească aceste interacțiuni pentru a explora fizica mai multor corpuri în sistemul lor de ceas.
„Există o fizică cu adevărat interesantă, deoarece aveți acestea. dipoli care interacționează”, explică Milner, „Așadar, oamenii, cum ar fi Ross Hutson, au idei pentru a putea folosi chiar și potențiale aceste interacțiuni dipol-dipol pentru stoarcerea spinului [un tip de entanglement cuantic] pentru a face ceasuri și mai bune.”
Comentarii:
Adauga Comentariu