Οι επιστήμονες εξερευνούν έναν νέο τύπο οπτικού ατομικού ρολογιού που βασίζεται σε ιόντα υττερβίου-173, το οποίο θα μπορούσε να βοηθήσει στον καθορισμό του μελλοντικού προτύπου για τη μέτρηση του χρόνου.
Για δεκαετίες, τα ατομικά ρολόγια καισίου αποτελούν το παγκόσμιο πρότυπο για τη χρονομέτρηση ακριβείας. Ωστόσο, οι επιστήμονες αναμένουν ότι μια ακόμη πιο ακριβής τεχνολογία θα πάρει τελικά τη θέση τους: τα οπτικά ατομικά ρολόγια.
Μέσα στα επόμενα χρόνια, αυτά τα προηγμένα ρολόγια θα μπορούσαν να επαναπροσδιορίσουν το δευτερόλεπτο, τη θεμελιώδη μονάδα χρόνου στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI). Παραμένει ακόμη ασαφές ποιος τύπος οπτικού ρολογιού θα επικρατήσει τελικά ως το νέο πρότυπο αναφοράς.
Ερευνητές στο Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) έχουν ήδη αναπτύξει αρκετά συστήματα οπτικών ρολογιών.
Τώρα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι ένα ακόμα σχέδιο θα μπορούσε να προστεθεί σε αυτά: ένα οπτικό ρολόι πολλαπλών ιόντων που χρησιμοποιεί ιόντα υττερβίου-173.
Αυτό το σύστημα θα μπορούσε να συνδυάσει την εξαιρετική ακρίβεια που επιτυγχάνεται με μεμονωμένα ιόντα και τη βελτιωμένη σταθερότητα που προκύπτει από την ταυτόχρονη μέτρηση πολλών ιόντων.
Η εργασία αυτή είναι αποτέλεσμα συνεργασίας μεταξύ του PTB και του ινστιτούτου μετρολογίας της Ταϊλάνδης, NIMT.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής την Tanja Mehlstäubler, περιγράφει τα ευρήματα στο περιοδικό Physical Review Letters. Πέρα από τη βελτίωση της χρονομέτρησης, τα αποτελέσματα μπορεί επίσης να συμβάλουν στην πρόοδο των κβαντικών υπολογιστών και να προσφέρουν νέους τρόπους μελέτης της εσωτερικής δομής των ατόμων.
Συνδυάζοντας ακρίβεια και σταθερότητα
Διαφορετικοί τύποι οπτικών ατομικών ρολογιών προσφέρουν διαφορετικά πλεονεκτήματα. Τα ρολόγια που βασίζονται σε μεμονωμένα ιόντα, όπως το υττέρβιο-171, είναι γνωστά για την εξαιρετικά υψηλή τους ακρίβεια. Συστήματα που χρησιμοποιούν πολλά σωματίδια, όπως τα άτομα στροντίου, τείνουν να παρέχουν εξαιρετική σταθερότητα.
Η ομάδα της Mehlstäubler εργάζεται για να συνδυάσει αυτά τα πλεονεκτήματα. Η ομάδα είχε δείξει προηγουμένως ένα ρολόι πολλαπλών ιόντων χρησιμοποιώντας ιόντα ινδίου.
Οι ερευνητές διερευνούν τώρα την ίδια προσέγγιση χρησιμοποιώντας ένα διαφορετικό ισότοπο, το υττέρβιο-173.
«Αυτό το ισότοπο παρουσιάζει μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα μετάβαση», εξηγεί η φυσικός. Στα ατομικά ρολόγια, μια μετάβαση αναφέρεται σε ένα κβαντικό άλμα μεταξύ δύο ενεργειακών καταστάσεων στο εσωτερικό ενός ατόμου. Αυτή η αλλαγή συμβαίνει μόνο όταν το άτομο αλληλεπιδρά με ακτινοβολία σε μια συγκεκριμένη συχνότητα.
Τα σημερινά ρολόγια καισίου βασίζονται σε ακτινοβολία μικροκυμάτων για την ενεργοποίηση αυτής της διαδικασίας. Αντίθετα, τα οπτικά ρολόγια χρησιμοποιούν φως λέιζερ. Επειδή οι οπτικές συχνότητες ταλαντώνονται περίπου εκατό χιλιάδες φορές ταχύτερα από τα μικροκύματα, επιτρέπουν στους επιστήμονες να διαιρούν τον χρόνο σε πολύ μικρότερα διαστήματα και να τον μετρούν με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Μια διεγερμένη κατάσταση μεγάλης διάρκειας
Στο υττέρβιο-173, η σχετική μετάβαση οδηγεί σε μια διεγερμένη κατάσταση που διαρκεί ασυνήθιστα πολύ χρόνο. «Αυτό μας επιτρέπει να πραγματοποιούμε πιο σταθερές μετρήσεις», εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας Jialiang Yu. «Αλλά τέτοιες μεταβάσεις απαιτούν συνήθως ισχυρό φως λέιζερ, το οποίο με τη σειρά του μπορεί να έχει σημαντικά μειονεκτήματα».
Ωστόσο, ο ατομικός πυρήνας του υττερβίου-173 έχει μια μοναδική δομή που προσδίδει στο άτομο ειδικές ιδιότητες. Αυτά τα χαρακτηριστικά επέτρεψαν στους ερευνητές να ξεπεράσουν τους τυπικούς περιορισμούς και μάλιστα να ελέγξουν πολλαπλά ιόντα ταυτόχρονα.
Ως αποτέλεσμα, η ομάδα άνοιξε τον δρόμο για ένα οπτικό ρολόι πολλαπλών ιόντων βασισμένο στο υττέρβιο, το οποίο συνδυάζει την ακρίβεια των ρολογιών μεμονωμένων ιόντων με τη βελτιωμένη σταθερότητα των συστημάτων που χρησιμοποιούν πολλαπλά ιόντα.
Το άτομο φαίνεται επίσης κατάλληλο για χρήση ως πλατφόρμα πολλαπλών κβαντικών ψηφίων (multi-qubit) για κβαντικές πληροφορίες, καθώς το φως λέιζερ μπορεί να χειριστεί τις κβαντικές του καταστάσεις με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια.
Ενοράσεις στη θεμελιώδη Φυσική
Το σύστημα του υττερβίου-173 μπορεί επίσης να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην έρευνα των κβαντικών υπολογιστών. Επειδή μπορούν να ελεγχθούν και να κωδικοποιηθούν πολλαπλές κβαντικές καταστάσεις ταυτόχρονα, το άτομο αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να αποθηκεύουν και να επεξεργάζονται περισσότερες κβαντικές πληροφορίες παράλληλα.
Η ομάδα μέτρησε επίσης τη διάρκεια ζωής της κατάστασης του ρολογιού για πρώτη φορά. Αυτή η μέτρηση παρέχει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τη δομή του ατομικού πυρήνα.
Θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει δοκιμές υψηλής ευαισθησίας στην πυρηνική φυσική, συμπεριλαμβανομένων ερευνών για πιθανά φαινόμενα που βρίσκονται εκτός του τρέχοντος καθιερωμένου προτύπου της φυσικής.
