Il nuovo design dell’orologio atomico, che utilizza atomi intrecciati, potrebbe aiutare gli scienziati a scoprire la materia oscura e studiare l’effetto della gravità nel tempo.

Gli orologi atomici sono i timer più precisi al mondo. Questi straordinari strumenti utilizzano i laser per misurare le vibrazioni degli atomi, che oscillano a una frequenza fissa, come molti pendoli microscopici che oscillano simultaneamente. I migliori orologi atomici del mondo segnano il tempo con una tale precisione: se hanno funzionato dall’inizio dell’universo, oggi si fermeranno solo per circa mezzo secondo.

Tuttavia, può essere più preciso. Se gli orologi atomici possono misurare le vibrazioni atomiche in modo più preciso, saranno abbastanza sensibili da rilevare fenomeni come la materia oscura e Onde gravitazionali. Con orologi atomici migliori, gli scienziati possono anche iniziare a rispondere ad alcune domande sbalorditive, come l’effetto della gravità sul passaggio del tempo e se il tempo stesso cambia con il progredire dell’universo.

Ora un nuovo tipo di orologio atomico che ha progettato Con I fisici possono consentire agli scienziati di esplorare tali questioni e forse scoprire nuova fisica.

I ricercatori riferiscono oggi sulla rivista natura Hanno costruito un orologio atomico che non misura una nuvola di atomi che oscillano casualmente, come ora misurano gli ultimi progetti, ma invece atomi che erano quantitativamente impigliati. Gli atomi sono legati in modo impossibile secondo le leggi della fisica classica e questo consente agli scienziati di misurare le vibrazioni degli atomi in modo più preciso.

La nuova impostazione può raggiungere la stessa precisione quattro volte più velocemente delle ore senza interblocco.

“Gli orologi atomici ottici con entanglement potenziati avranno la capacità di ottenere una migliore precisione in un secondo rispetto agli orologi ottici attuali più recenti”, afferma l’autore principale Edwin Pedrozo-Peñafiel, ricercatore post-dottorato presso il Laboratorio di ricerca elettronica del Massachusetts Institute of Technology.

Se gli ultimi orologi atomici fossero adattati per misurare gli atomi entangled nel modo in cui lavorava il team del MIT, i loro tempi migliorerebbero in modo che durante l’intera vita dell’universo, gli orologi sarebbero inferiori a 100 millisecondi.

Altri coautori del documento del MIT sono Simon Colombo, Chi Shu, Albert Adiatulin, Ziyang Li, Enrique Mendes, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao e Vladan Voltek, professore di fisica al Leicester Wolf.

Limite di tempo

Da quando gli esseri umani hanno iniziato a monitorare il passare del tempo, lo hanno fatto utilizzando fenomeni periodici, come il movimento del sole nel cielo. Oggi, le vibrazioni negli atomi sono gli eventi periodici più stabili che gli scienziati possono osservare. Inoltre, un cesio Mais Oscillerà esattamente alla stessa frequenza di un altro atomo di cesio.

E per mantenere il tempo perfetto, è meglio che gli orologi seguano le vibrazioni di un atomo. Ma a questa scala, un atomo è così piccolo che si comporta secondo le vaghe regole della meccanica quantistica: quando misurato, si comporta come una valuta invertita che fornisce probabilità corrette solo quando si calcola la media su più fluttuazioni. Questa limitazione è ciò che i fisici chiamano limiti quantistici standard.

“Quando aumenti il ​​numero di atomi, la media data da tutti questi atomi si sta muovendo verso qualcosa che dà il valore corretto”, dice Colombo.

Questo è il motivo per cui gli orologi atomici oggi sono progettati per misurare un gas composto da migliaia degli stessi tipi di atomi, al fine di ottenere una stima delle loro oscillazioni medie. Un tipico orologio atomico fa questo utilizzando prima un sistema laser per intrappolare il gas dagli atomi super raffreddati in una trappola formata dal laser. Un secondo laser altamente stabile, ad una frequenza prossima a quella delle vibrazioni degli atomi, viene inviato per sondare l’oscillazione atomica, inseguendo così il tempo.

Tuttavia, il limite quantistico standard è ancora in funzione, il che significa che c’è ancora qualche incertezza, anche tra migliaia di atomi, riguardo alle loro precise frequenze individuali. È qui che Vultek e il suo gruppo hanno dimostrato che l’entanglement quantistico potrebbe aiutare. In generale, l’entanglement quantistico descrive una condizione fisica non classica, in cui gli atomi in un set mostrano risultati di misurazione correlati, anche se ogni singolo atomo si comporta come una lotteria casuale di una moneta.

Il team ha concluso che se gli atomi fossero impigliati, le loro oscillazioni individuali si restringerebbero attorno a una frequenza comune, con minore deflessione rispetto a se non fossero impigliati. Quindi, le oscillazioni medie che un orologio atomico può misurare avranno una precisione oltre il limite quantistico standard.

Orologi ad incastro

Nel loro nuovo orologio atomico, Vultek ei suoi colleghi hanno intrappolato circa 350 atomi di itterbio, che oscillano alla stessa altissima frequenza della luce visibile, il che significa che ogni atomo vibra 100.000 volte di più in un secondo rispetto al cesio. Se le vibrazioni dell’itterbio potessero essere tracciate accuratamente, gli scienziati potrebbero usare gli atomi per distinguere tra periodi di tempo sempre più piccoli.

Il gruppo ha utilizzato tecniche standard per raffreddare gli atomi e bloccarli in una cavità ottica composta da due specchi. Quindi inviano un laser attraverso la cavità ottica, dove si muove tra i due specchi, interagendo con gli atomi migliaia di volte.

“Sembra che la luce sia una connessione tra gli atomi”, spiega Shaw. “Il primo atomo che vede questa luce modificherà un po ‘la luce, e questa luce modificherà anche il secondo e il terzo atomo, e attraverso molte rotazioni, gli atomi si conoscono e iniziano a comportarsi in modo simile.”

In questo modo, i ricercatori collegano quantitativamente gli atomi, quindi utilizzano un altro laser, simile agli orologi atomici esistenti, per misurare la loro frequenza media. Quando il team ha condotto un esperimento simile senza aggrovigliare gli atomi, hanno scoperto che l’orologio atomico con gli atomi in entanglement raggiungeva la precisione richiesta quattro volte più velocemente.

“Puoi sempre rendere l’orologio più preciso misurando per un tempo più lungo”, afferma Voltek. “La domanda è: quanto tempo occorre per raggiungere una certa precisione. Molti fenomeni devono essere misurati su scale temporali rapide”.

Dice che se gli ultimi orologi atomici di oggi potessero essere adattati per misurare quantitativamente gli atomi entangled, non solo preserverebbero un tempo migliore, ma potrebbero anche aiutare a decifrare i segnali nell’universo come la materia oscura e le onde gravitazionali e iniziare a rispondere ad alcune delle vecchie domande.

“Con l’invecchiamento dell’universo, la velocità della luce cambia? La carica dell’elettrone cambia?”, Dice Vultek. “Questo è ciò che puoi controllare con gli orologi atomici più accurati.”

Il riferimento: “Interlocking in the transmission of an optical atomic clock” di Edwin Pedroso Penafiel, Simon Colombo, Chi Xu e Albert F. 16 dicembre 2020 natura.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3006-1

Questa ricerca è stata supportata, in parte, da DarpaE la National Science Foundation e l’Ufficio per la ricerca marina.