Fysiker avslöjade nyligen för allmänheten världens mest exakta klocka, vars unika design är baserad på den speciella organisationen av strontiumatomer i tredimensionellt rymd. Det visade sig att den här enheten inte bara är användbar för att mäta tid utan också för att leta efter mystisk mörk materia i djupet av rymden.
Forskare vid Boulders JILA-laboratorium vid University of Colorado har utvecklat en oerhört noggrann kvantatomklocka baserad på en unik tredimensionell struktur. Projektet satte bokstavligen ett nytt riktmärke för kvalitetsfaktor - ett värde som kännetecknar mätnoggrannheten. Klockan bildar strontiumatomer till en kub, som är 1000 gånger tätare än den tidigare endimensionella klockan. För första gången tillåter design forskare att framgångsrikt använda den så kallade "kvantgas" för detta ändamål.
Världens mest exakta klocka
En atomklocka (aka kvant eller molekylär klocka) är en anordning för att mäta tid, i vilken, som en periodisk process, inte en kiselmekanism används, utan vibrationer som uppstår på atom- och molekylnivåer. Enligt det internationella SI-systemet är till exempel 1 sekund lika med 9 192 631 770 perioder med elektromagnetisk strålning som härrör från övergången mellan två hyperfina nivåer i marktillståndet till cesium-133-atomen.
Tidigare betraktades varje atom i en atomur som en separat partikel, och därför kan interaktioner mellan atomer orsaka felaktigheter i mätningarna. Emellertid organiserar det "många kroppskvantsystemet" som används i det nya projektet atomer enligt ett visst mönster, vilket gör att de kan blockera deras interaktion, oavsett hur många atomer forskare som så småningom införde i apparaten. Ett tillstånd av materia känt som en degenererad Fermi-gas (en gas som består av Fermi-partiklar) gör att alla atomer i systemet kan kvantifieras.
"Den viktigaste aspekten av potentialen hos en kvantgasklocka är dess förmåga att öka antalet atomer, vilket resulterar i en enorm ökning av stabilitet," förklarar fysiker Jun Yeh från National Institute of Standards and Technology (NIST), som arbetade med projektet. Enligt honom går mänskligheten in i "en verkligt spännande era då vi kan föremål för kvantteknik för att mäta specifika kvantiteter." I laboratorietester var felet 3,5 x 10 kvintillion - detta är den första atomklockan som uppnådde en sådan imponerande noggrannhet.
Thomas O'Brian, NIST: s kvantfysikchef och projektledare, säger att "en strontiumklocka som använder en kvantgas är ett slående exempel på" ny kvantrevolution "-teknologi, ibland kallad" kvant 2.0 ". Han är också övertygad om att en sådan strategi och utvecklingen av liknande tekniker i framtiden kommer att möjliggöra användning av kvantkorrelationer för ett brett spektrum av mätningar och till och med för tekniker som inte är relaterade till tid.
Kampanjvideo:
Tid och rum
Atomklockan är till exempel bra för forskning om att förstå mörk materia. Forskare har redan föreslagit att studien av mindre fel i driften av atomklockor inte kommer att spåra mer än "fickor" av mörk materia i rymden. Tidigare studier har visat att ett atomklocksystem och till och med en sådan mycket känslig apparat kan registrera förändringar i atoms vibrationsfrekvens och laserstrålning om de passerar genom ett område med mörkt material. Med tanke på att det nya projektet är mycket mer stabilt och korrekt än dess föregångare, kanske det kommer att hjälpa oss att ta upp ett av de mest intressanta mysterierna i universum.
Vasily Makarov
