Los físicos de JILA han creado un diseño completamente nuevo para un reloj atómico, en el que los átomos de estroncio se empaquetan en un pequeño cubo tridimensional 3-D a 1,000 veces la densidad de los relojes unidimensionales 1-D anteriores.Al hacerlo, son los primeros en aprovechar el comportamiento ultracontrolado de un llamado "gas cuántico" para hacer un dispositivo de medición práctico.
Con tantos átomos completamente inmovilizados en su lugar, el reloj de gas cuántico cúbico de JILA establece un récord para un valor llamado "factor de calidad" y la precisión de medición resultante. Un gran factor de calidad se traduce en un alto nivel de sincronización entre los átomos y los láseressolía sondearlos y hace que los "ticks" del reloj sean puros y estables durante un tiempo inusualmente largo, logrando así una mayor precisión.
Hasta ahora, cada uno de los miles de átomos "tictac" en los relojes avanzados se comportan y se miden en gran medida de forma independiente. Por el contrario, el nuevo reloj de gas cuántico cúbico utiliza una colección de átomos que interactúan globalmente para restringir las colisiones y mejorar las mediciones. El nuevo enfoquepromete introducir una era de mediciones y tecnologías dramáticamente mejoradas en muchas áreas basadas en sistemas cuánticos controlados.
El nuevo reloj se describe en la edición del 6 de octubre de ciencia .
"Estamos entrando en un momento realmente emocionante cuando podemos realizar una ingeniería cuántica de un estado de la materia para un propósito de medición en particular", dijo el físico Jun Ye del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST. Trabaja en JILA, que es conjuntamenteoperado por NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
La pieza central del reloj es un estado inusual de la materia llamado gas de Fermi degenerado un gas cuántico para las partículas de Fermi, creado por primera vez en 1999 por la fallecida colega de Ye Deborah Jin. Todos los relojes atómicos anteriores han utilizado gases térmicos.el gas permite cuantificar o restringir todas las propiedades de los átomos por primera vez.
"El potencial más importante del reloj de gas cuántico tridimensional es la capacidad de escalar los números de átomos, lo que conducirá a una gran ganancia de estabilidad", dijo Ye. "Además, podríamos alcanzar la condición ideal de funcionamientoel reloj con su tiempo de coherencia total, que se refiere a cuánto tiempo una serie de ticks puede permanecer estable. La capacidad de escalar tanto el número de átomos como el tiempo de coherencia hará que este reloj de nueva generación sea cualitativamente diferente de la generación anterior ".
Hasta ahora, los relojes atómicos han tratado a cada átomo como una partícula cuántica separada, y las interacciones entre los átomos plantearon problemas de medición. Pero una colección diseñada y controlada, un "sistema cuántico de muchos cuerpos" organiza todos sus átomos en un patrón particular, o correlación, para crear el estado de energía global más bajo. Los átomos se evitan entre sí, independientemente de cuántos átomos se agreguen al reloj. El gas de los átomos se convierte efectivamente en un aislante, que bloquea las interacciones entre los componentes.
El resultado es un reloj atómico que puede superar a todos los predecesores. Por ejemplo, la estabilidad se puede considerar como la precisión de la duración de cada tic coincide con cualquier otro tic, que está directamente relacionado con la precisión de medición del reloj. En comparación con el anterior 1 de Ye-D relojes, el nuevo reloj de gas cuántico 3-D puede alcanzar el mismo nivel de precisión más de 20 veces más rápido debido a la gran cantidad de átomos y tiempos de coherencia más largos.
Los datos experimentales muestran que el reloj de gas cuántico tridimensional logró una precisión de solo 3.5 partes de error en 10 quintillones 1 seguido de 19 ceros en aproximadamente 2 horas, lo que lo convierte en el primer reloj atómico en alcanzar ese umbral 19 ceros"Esto representa una mejora significativa sobre cualquier demostración previa", dijo Ye.
La versión 1-D más antigua del reloj JILA era, hasta ahora, el reloj más preciso del mundo. Este reloj contiene átomos de estroncio en un conjunto lineal de trampas en forma de panqueque formadas por rayos láser, llamado enrejado óptico. El nuevoEl reloj de gas cuántico 3-D utiliza láseres adicionales para atrapar átomos a lo largo de tres ejes para que los átomos se mantengan en una disposición cúbica. Este reloj puede mantener las garrapatas estables durante casi 10 segundos con 10,000 átomos de estroncio atrapados a una densidad superior a 10 billones de átomos por cubocentímetro. En el futuro, el reloj podrá sondear millones de átomos durante más de 100 segundos a la vez.
Los relojes de celosía óptica, a pesar de sus altos niveles de rendimiento en 1-D, tienen que lidiar con una compensación. La estabilidad del reloj podría mejorarse aún más al aumentar el número de átomos, pero una mayor densidad de átomos también fomenta las colisiones, cambiando las frecuenciasen el que los átomos funcionan y reducen la precisión del reloj. Los tiempos de coherencia también están limitados por las colisiones. Aquí es donde pueden ayudar los beneficios de la correlación de muchos cuerpos.
El diseño de la red tridimensional, imagine un cartón de huevos grande, elimina esa compensación al mantener los átomos en su lugar. Los átomos son fermiones, una clase de partículas que no pueden estar en el mismo estado cuántico y ubicación a la vez.un gas cuántico de Fermi en las condiciones de funcionamiento de este reloj, la mecánica cuántica favorece una configuración en la que cada sitio de red individual está ocupado por un solo átomo, lo que evita los cambios de frecuencia inducidos por las interacciones atómicas en la versión 1-D del reloj.
los investigadores de JILA utilizaron un láser ultraestable para lograr un nivel récord de sincronización entre los átomos y los láseres, alcanzando un factor de alta calidad récord de 5,2 billones 5,2 seguido de 15 ceros. El factor de calidad se refiere a cuánto dura una oscilación ola forma de onda puede persistir sin disiparse. Los investigadores encontraron que las colisiones de átomos se redujeron de manera tal que su contribución a los cambios de frecuencia en el reloj fue mucho menor que en experimentos anteriores.
"Este nuevo reloj de estroncio que utiliza un gas cuántico es un éxito temprano y sorprendente en la aplicación práctica de la 'nueva revolución cuántica', a veces llamada 'cuántico 2.0'", dijo Thomas O'Brian, jefe de la División de Física Cuántica del NISTy el supervisor de Ye. "Este enfoque es muy prometedor para NIST y JILA para aprovechar las correlaciones cuánticas para una amplia gama de mediciones y nuevas tecnologías, mucho más allá del tiempo".
Dependiendo de los objetivos de medición y las aplicaciones, los investigadores de JILA pueden optimizar los parámetros del reloj, como la temperatura operativa 10 a 50 nanokelvins, el número de átomos 10,000 a 100,000 y el tamaño físico del cubo 20 a 60 micrómetros, o millonésimas deun metro.
Los relojes atómicos han estado avanzando durante mucho tiempo en la frontera de la ciencia de la medición, no solo en el cronometraje y la navegación, sino también en las definiciones de otras unidades de medición y otras áreas de investigación, como en las búsquedas de mesa para la "materia oscura" que falta en el universo.
La Oficina Nacional de Normas, ahora NIST, inventó el primer reloj atómico en 1948.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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