Onderzoekers hebben een ultranauwkeurige kwantumchronometer ontwikkeld

Atomaire klokken, ontwikkeld in de jaren vijftig, zijn tot nu toe het meest nauwkeurige apparaat voor het meten van tijd. Een team van onderzoekers van de Universiteit van Uppsala in Zweden heeft een nauwkeuriger en innovatiever tijdwaarnemingsapparaat ontwikkeld. Het kan de vertraging tussen twee momenten meten (met andere woorden het meet het verstrijken van de tijd), maar zonder de seconden te tellen die zijn verstreken.

Atoomklokken zijn afhankelijk van de frequentie – constante – van de elektromagnetische straling die wordt uitgezonden door a Elektron Het beweegt van het ene energieniveau naar het andere om de nauwkeurigheid en stabiliteit van het oscillerende signaal dat het produceert te garanderen. Sinds 1967 is de tweede gedefinieerd als de exacte duur van 9.192.631.770 trillingen voor de overgang tussen ultrafijne niveaus van de grondtoestand van een cesium-133-atoom. De atoomtijd is afhankelijk van deze klokken. Internationaal gecoördineerde universele tijd.

De kwantumchronometer in kwestie kan het verstrijken van de tijd meten, maar zonder de seconden te tellen. Het is een compleet nieuwe manier om tijd te meten. Het apparaat is gebaseerd op een technologie genaamd de “pompsonde”, die het mogelijk maakt om ultrasnelle verschijnselen in materie te meten met behulp van zeer korte laserpulsen. Concreet wordt een korte, intense laserpuls (de pomp) over een wolk van atomen gestuurd, waardoor ze naar hogere energieniveaus worden gebracht; Vervolgens wordt een tweede zwakkere puls (de sonde) gebruikt om het effect van de pomp te meten.

De “vingerafdruk” van de evolutionaire tijd van het systeem

Deze pomp-sonde-experimenten worden veel gebruikt in de materiaalkunde, omdat ze het mogelijk maken om de transformaties van materie op moleculair niveau te observeren en informatie te verkrijgen over de dynamiek van het excitatieverval van de laserpuls. Het is echter soms moeilijk om de verstreken tijd tussen de pomp en de sonde te meten. De door het Zweedse team ontwikkelde kwantumklok lost dit probleem op.

Om dit nieuwe type klok te ontwikkelen, schoten de onderzoekers eerst een laserstraal op een wolk van heliumatomen. Toen bevonden de atomen zich in een superpositie van kwantumtoestanden (ze bevonden zich tegelijkertijd in meerdere energieniveaus); De onderzoekers spreken van een coherente superpositie van Rydberg-staten. Deze energieniveaus werken op elkaar in, waardoor een interferentiepatroon ontstaat dat in de loop van de tijd verandert – zoals te zien is in Young’s beroemde spleetexperiment, waarbij twee lichtstralen van dezelfde bron elkaar overlappen.

De onderzoekers hebben dit interferentiegetal 1,7 picoseconde gemeten en vergeleken met de resultaten van een interferentiesimulatie. Zo konden ze de unieke tijdsperiode bepalen waarin de getallen elkaar ontmoetten, waardoor ze precies konden bepalen hoe lang de heliumatomen in superpositie waren geweest.

” We laten zien dat oscillaties van een reeks zeer geëxciteerde Rydberg-toestanden, die samenkomen bij de ionisatiedrempel, leiden tot een uniek interferentiepatroon dat zich niet herhaalt gedurende de levensduur van de golfbundel. We noemen deze oscillaties QUBS-signaturen omdat ze een vingerafdruk geven van hoe lang ze zijn geëvolueerd sinds de golfbundel werd gecreëerd. ‘, legden de onderzoekers uit in fysiek beoordelingsonderzoek.

Een aanpak waarvoor geen teller nodig is

In tegenstelling tot andere klokken, zoals mechanische klokken, kwarts- of atoomklokken, die werken door het aantal trillingen van een goed gedefinieerde frequentie te tellen, gebruikt een op QUBS gebaseerde timer geen teller: hij geeft een vingerafdruk die een specifieke tijd vertegenwoordigt en vereist dus alleen interactie bij het initialiseren en aflezen van de tijd.

Met andere woorden, het is niet nodig om precies te meten wanneer de atomen in superpositie zijn geplaatst. Omdat het niet nodig is de klok te “starten”, is deze methode veel eenvoudiger; Kijk maar naar de overlapstructuur en leid de verstreken tijd af.

Het team merkt op dat hun kwantumklok in staat zal zijn om deze aan te passen voor een bepaald experiment, waar er veel mogelijkheden zijn op het gebied van monsters en vereiste fotonenergieën. ” Als men fotonpomppulsen met laag vermogen moet gebruiken, kunnen inerte gassen zoals Ne, Ar, Kr en Xe worden gebruikt in plaats van He. Het verhogen van de fotonenergie van de pomppuls is ook niet onmogelijk ‘, specificeren ze.

Deze benadering zal zeer nuttig zijn in experimenten die de meting van een vertraging tussen twee momenten in kleinschalige systemen vereisen, aangezien het zeer nauwkeurig is. Zo kunnen onderzoekers zeer snelle metingen doen aan systemen die in de loop van de tijd veranderen, zoals de val van een enkel molecuul, kwantuminteracties tussen licht en materie, of de blootstelling van een materiaal aan een magnetisch veld. Aan de andere kant kan het niet op een meer algemene manier worden toegepast op tijdmeting, benadrukten experts.

bron : Berholz et al., Physical Review Research