Uut tüüpi aatomkell on täpsem kui ükski veel ehitatud ja suudab kõndida sujuvalt universumi elu jooksul tuhat korda. Lisaks sellele, et uus niinimetatud kvantgaasikell on seni parim ajavõtja, võib see ühel päeval pakkuda ka teadmisi uuest füüsikast.
JILA (varem nimetatud ka laboratoorse astrofüüsika ühiseks instituudiks) teadlased kasutasid strontsiumi aatomite ja rea laserkiirte kombinatsiooni, et luua kell, mis on nii täpne, et see võib olla võimeline mõõtma gravitatsiooni interaktsiooni väiksema skaalaga kui kunagi varem. . Seejuures võib ta valgustada oma suhete olemust teiste põhijõududega - mõistatus, mis on füüsikuid segamini ajanud aastakümneid.
Aatomkellad mõõdavad aega, kasutades aatomite vibratsiooni nagu väga täpne metronoom. Praegused aatomkellad lülituvad kümnete miljardite aastate jooksul sekunditega välja. See uusim iteratsioon püsib piisavalt täpsena, et see lülitatakse umbes 90 miljardi aasta jooksul välja vaid ühe sekundiga.
Sellise täpsuse saavutamiseks jahutas meeskond strontsiumi aatomeid, et hoida neid ringi liikumast ja üksteisesse põrutamast - miski, mis võib nende vibratsiooni ära visata. Esiteks tabasid nad aatomid laseritega. Laserites footonite tabas, neeldusid aatomid oma energia ja eraldasid taas footoni, kaotades kineetilise energia ja muutudes külmemaks. Kuid see ei jahutanud neid piisavalt. Nii et veelgi külmemaks muutmiseks tugines meeskond aurustumise jahutamisele, võimaldades mõnel strontsiumi aatomil aurustuda ja võtta vastu veelgi rohkem energiat. Neil oli 10 000–100 000 aatomit, temperatuuril vaid 10–60 miljardit kraadi absoluutsest nullist kõrgemal ehk miinus 459 kraadi Fahrenheiti (miinus 273 kraadi Celsiuse järgi).
Külmad aatomid jäid laserite 3D-paigutusega lõksu. Talad olid üles seatud üksteist segama. Seda tehes lõid nad madala ja suure potentsiaaliga energiaga piirkonnad, mida nimetatakse potentsiaalseteks kaevudeks. Kaevud käituvad nagu virnastatud munakarbid ja igas neist on strontsiumi aatom.
Aatomid läksid nii külmaks, et lakkasid omavahel suhtlemast - erinevalt tavalisest gaasist, milles aatomid jooksevad juhuslikult ringi ja põrkavad kaaslastelt eemale, jäävad sellised jahutatud aatomid üsna paigal. Seejärel hakkavad nad käituma vähem nagu gaas ja enam nagu tahke aine, kuigi vahemaa nende vahel on palju suurem kui tahkes strontsiumis.
"Sellest vaatenurgast on see väga huvitav materjal; sellel on nüüd omadused, nagu oleks see tahke olek," rääkis projekti juht Jun Ye, Riikliku Standardite ja Tehnoloogia Instituudi füüsik Live Science'ile. (JILA-d juhivad ühiselt NIST ja Colorado ülikool Boulderis.)
Sel hetkel oli kell valmis alustama aja hoidmist: teadlased tabasid aatomeid laseriga, millest põnev oli üks strontsiumi tuuma tiirlevatest elektronidest. Kuna elektrone juhivad kvantmehaanika seadused, ei saa öelda, mis energiasisaldusega elektron on, kui see ergastub, ja saab ainult öelda, et sellel on tõenäosus olla ühes või teises. Elektroni mõõtmiseks tulistasid nad 10 sekundi pärast aatomil veel ühte laserit. See laser mõõdab seda, kus elektron asub tuuma ümber, kui laserist eraldub footon, mille aatom eraldab - ja mitu korda see sellel perioodil (10 sekundit) võnkus.
Selle mõõtmise tuhandete aatomite järgi keskmistamine annab sellele aatomkellale täpsuse, samamoodi nagu tuhandete identsete pendlite löögi keskmistamine annab ühe täpsema ettekujutuse selle pendli perioodist.
Seni olid aatomkelladel 3D-võre asemel ainult üksikud aatomite ahelad, nii et Ye ütles, et nad ei saanud nii palju mõõtmisi teha kui see.
"See on nagu kellade võrdlus," ütles Ye. "Seda analoogiat kasutades avaldab aatomite laserimpulss koherentse võnkumise. Kümme sekundit hiljem lülitame impulsi uuesti sisse ja küsime elektronilt:" Kus sa oled? "" Selle mõõtmise keskmisena võetakse arvesse tuhandeid aatomeid.
Ye ütles, et elektronide hoidmine sellises vahepealses olekus on keeruline. See on veel üks põhjus, miks aatomid peavad olema nii külmad, et elektronid ei puutuks kogemata millegi muuga.
Kell suudab sisuliselt sekundit mõõta kuni 1 osa triljonites. See võime teeb rohkem kui tõeliselt hea ajanäitaja; Ye ütles, et see võib aidata selliste nähtuste nagu tumeaine otsimisel. Näiteks võiks sellise täpse taimeri abil katse kosmoses üles seada, et näha, kas aatomid käituvad erinevalt tavapäraste teooriate ennustatuist.
Uuringu üksikasjad on ajakirja Science 6. oktoobri numbris.
