Az új típusú atomóra pontosabb, mint bármelyik még felépített, azzal a képességgel, hogy az univerzum élettartama ezerszorosára simán bepattanjon. Amellett, hogy eddig a legjobb időmérő, az új, úgynevezett kvantumgázóra egy nap betekintést nyújthat az új fizikába.
A JILA (korábban Közös Laboratóriumi Asztrofizikai Intézetnek is nevezték) kutatói stroncium-atomok és egy lézersugár sorozatának kombinációját használják, hogy olyan pontos órát készítsenek, amely képes lehet a gravitáció kölcsönhatásának kisebb skálán mérésére, mint valaha. . Ezzel felvilágosíthatja más alapvető erőkkel fennálló kapcsolatának természetét - ez a rejtély, amely évtizedek óta zavarja a fizikusokat.
Az atomórák az atomok rezgéseinek felhasználásával mérik az időt, mint egy nagyon pontos metronóm. A jelenlegi atomórák másodpercek alatt több tízmilliárd év alatt kikapcsolnak. Ez a legfrissebb iteráció elég pontos, hogy kb. 90 milliárd év alatt csak 1 másodperccel csökken.
Az ilyen pontosság elérése érdekében a csapat hűtött stroncium-atomokat, hogy megakadályozzák őket, hogy körül mozogjanak és egymásba ütközjenek - olyasmi, amely eldobhatja rezgéseiket. Először lézerrel ütik el az atomokat. Amikor a lézerek fotonjai megütik, az atomok elnyelték energiájukat és újra kibocsátott fotont, elvesztik a kinetikai energiát és meghűlnek. De ez nem hűti le őket eléggé. Annak érdekében, hogy még hidegebbé váljanak, a csapat a párolgási hűtésre támaszkodott, lehetővé téve a stroncium atomok egy részének elpárolgását és még több energia elfogadását. 10 000 és 100 000 atom között maradtak, az abszolút nulla feletti fok csak 10–60 milliárd részének hőmérséklete, vagy mínusz 459 fok (mínusz 273 Celsius fok) fölött.
A hideg atomokat lézer 3D elrendezése csapdába ejtette. A gerendákat úgy állították össze, hogy zavarják egymást. Így létrehoztak alacsony és nagy potenciálú energiát, potenciális kutaknak nevezett régiókat. A kutak úgy viselkednek, mint egymásra rakott tojáskartonok, és mindegyik stroncium atomot tartalmaz.
Az atomok annyira meghűltek, hogy abbahagyták az interakciót - ellentétben egy normál gázzal, amelyben az atomok véletlenszerűen futnak körül és visszapattannak társaikhoz, az ilyen lehűtött atomok megmaradnak. Ezután olyan módon viselkedni kezdnek, amely kevésbé hasonlít a gázhoz és inkább a szilárd anyaghoz, annak ellenére, hogy a köztük lévő távolság sokkal nagyobb, mint a szilárd stronciumban.
"Ebből a szempontból nagyon érdekes anyag; most olyan tulajdonságokkal rendelkezik, mintha szilárd állapotú" - mondta a projektvezető, Jun Ye, a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet fizikusa a Live Science-nek. (A JILA-t a NIST és a Boulder-i Colorado Egyetem közösen üzemelteti.)
Ezen a ponton az óra készen állt az idő megtartására: A kutatók lézerrel ütögették az atomokat, izgalmasan bocsátva az egyik elektronot, amely a stronciummag körül kering. Mivel az elektronokat a kvantummechanika törvényei szabályozzák, nem lehet megmondani, hogy az elektron milyen energiaszintre kerül, ha izgatott, és csak azt lehet mondani, hogy valószínűsíthető, hogy egy vagy másikban van. Az elektron mérésére 10 másodperc elteltével újabb lézert lőttek az atomra. Ez a lézer azt méri, ahol az elektron a mag körül helyezkedik el, amikor a lézerből származó fotont az atom újból kibocsátja - és hányszor oszcillált ebben az időszakban (a 10 másodperc).
A mérés ezer atomok átlagolása adja az atomóra pontosságát, ugyanúgy, mint az azonos inga ezrei ütemének átlagolása pontosabb képet ad arról, hogy az adott inga periódusának miként kell lennie.
Eddig az atomórákban csak egy "atomcsík" volt, szemben a 3D-s ráccsal, tehát nem tudtak annyi mérést elvégezni, mint ez - mondta Ye.
"Olyan, mint az órák összehasonlítása" - mondta Ye. "Ezen analógia alkalmazásával az atomok lézerimpulzusa egy koherens oszcillációt indít el. Tíz másodperc múlva ismét bekapcsoljuk az impulzust, és megkérdezzük az elektront:" Hol vagy? "
Nehéz az elektronokat ebben a köztes állapotban tartani - mondta Ye -, és ez egy másik ok, hogy az atomoknak olyan hidegnek kell lenniük, hogy az elektronok véletlenül ne érjenek hozzá semmi máshoz.
Az óra alapvetően másodperceket képes mérni 1 milliárd részre osztva. Ez a képesség több, mint egy igazán jó időmérő; segíthet a jelenségek, például a sötét anyag keresésében - mondta Ye. Például létrehozhat egy kísérletet az űrben egy ilyen pontos időmérő használatával, hogy megtudja, az atomok eltérően viselkednek-e, mint amit a hagyományos elméletek előrejelznek.
A tanulmány részletesen a Science folyóirat október 6-i számában található.
