Sićušni otkucani atomi su metrika po kojoj najpreciznije merimo protok vremena. Dok vise vise u komplikovanim, ultrahladnim mrežama magnetizma, mi ih sondiramo laserima da bismo izmerili njihove oscilacije napred-nazad.
Sam čin merenja, međutim, može izazvati degradaciju ovih atomskih satova. Laseri zagrevaju atome i oni beže u prazninu. Fizičari su otkrili da bi kvantni fenomen nazvan superzračenje mogao da reši ovaj problem – da najpreciznije satove na Zemlji učini još čvršćim.
„Pošto atome stalno treba zameniti svežim novim atomima, dok se novi atomi pripremaju, sat gubi vreme veoma malo“, objašnjava fizičar Eliot Bor, bivši sa Univerziteta u Kopenhagenu, a sada na Univerzitetu u Koloradu.
„Stoga pokušavamo da prevaziđemo neke od trenutnih izazova i ograničenja najboljih svetskih atomskih satova, između ostalog, ponovnim korišćenjem atoma tako da ih ne treba tako često menjati.
Atomski sat, kao što verovatno možete da zamislite, je komplikovana mašina za pravljenje. Morate nabaviti gomilu atoma – u ovom slučaju stroncijum, iako su cezijum i iterbijum takođe popularni izbori – i podvrgnuti ih određenim uslovima kako biste ih zarobili na mestu i izmerili njihove oscilacije.
Atomi stroncijuma se proizvode u vrućoj pećnici, koja zagreva čvrsti stroncijum da bi se proizvela para. Ovi atomi se izbacuju iz peći, zatim usporavaju i hlade do ekstremno hladne temperature od -273 stepena Celzijusa, samo delić iznad apsolutne nule, u vakuumskoj komori u koju je tim dodao dva ogledala, formirajući ono što je poznato kao optička šupljina, što samo dozvoljava određenim obrascima svetlosti da se reflektuju napred-nazad.
„Kada atomi slete u vakuumsku komoru, oni leže potpuno mirno jer je tako hladno, što omogućava da se registruju njihove oscilacije sa dva ogledala na suprotnim krajevima komore“, objašnjava Bor.
Sada su atomski satovi već veoma precizni. Najtačniji do sada, objavljen pre samo mesec dana u preprintu, je stroncijumski sat koji može da radi 40 milijardi godina bez gubitka vremena.
Dakle, mogli biste pomisliti da je preciziranje preciznosti pozlaćivanje ljiljana, ali tačno merenje vremena je zapravo izuzetno korisno za aplikacije kao što su merenje fizičkog sveta, navigacija, testovi relativnosti.
Tako su Bor i njegove kolege hteli da pronađu način da naprave atomski sat koji ne gubi atome, a za to su iskoristili superzračenje. Ovo je kada grupa pobuđenih atoma sinhronizuje razdvajanje svojih naelektrisanja, zajedno emitujući kratak, intenzivan puls svetlosti koji je tako uredno poravnat da se može meriti sa velikom preciznošću.
„Ogledala uzrokuju da se atomi ponašaju kao jedna jedinica. Zajedno, emituju snažan svetlosni signal koji možemo da koristimo da očitamo stanje atoma, što je ključni korak za merenje vremena“, kaže Bor.
„Ova metoda minimalno zagreva atome, tako da se sve dešava bez zamene atoma, a ovo ima potencijal da ga učini preciznijim metodom merenja.“
U ovom trenutku, eksperimentalni razvoj tima je u fazi dokazivanja koncepta. Njihov rad pokazuje da je to moguće; sada ga treba razvijati i usavršavati kako bi se polje hronometrije unapredilo u novom, ultra-preciznom pravcu.
„Naša šema je inovativan pristup očitavanju stanja atoma koji karakteriše njegova brzina, jednostavnost i visoko usmerena emisija signalnih fotona“, pišu istraživači u svom radu.
„Neposredne koristi koje nudi naša šema mogu se primeniti na bilo koji kvantni senzor koji se oslanja na očitavanje razlike u populaciji kvantnog stanja.“
