Los físicos de JILA han demostrado un novedoso diseño de reloj atómico que combina un funcionamiento casi continuo con señales fuertes y alta estabilidad, características que no se encontraban juntas en un solo tipo de reloj atómico de próxima generación. El nuevo reloj, que utiliza "pinzas" láserpara atrapar, controlar y aislar los átomos, también ofrece posibilidades únicas para mejorar el rendimiento del reloj utilizando los trucos de la física cuántica.
Descrito en un documento que se publicará en línea el 12 de septiembre por la revista ciencia , la nueva plataforma de reloj es una matriz de hasta 10 átomos de estroncio confinados individualmente por 10 pinzas ópticas, que son creadas por un rayo láser infrarrojo dirigido a través de un microscopio y desviado en 10 puntos.
JILA es un instituto conjunto de investigación y capacitación operado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
Si bien los investigadores de JILA aún no han evaluado completamente el rendimiento del nuevo reloj, los datos preliminares sugieren que el diseño es prometedor. El reloj de pinzas está "en servicio" verificando su rendimiento el 96% del tiempo porque necesita poco tiempo de inactividad para preparar nuevos átomos, y los átomos están bien aislados, por lo que es menos probable que interfieran entre sí. Ambas fortalezas se comparten con uno de los relojes más importantes del mundo, un reloj basado en un solo ion átomo cargado eléctricamente.puede proporcionar las señales fuertes y la estabilidad de un reloj de celosía de múltiples átomos, que atrapa los átomos en una red de luz láser.
"La promesa a largo plazo del diseño de pinzas como un reloj competitivo se basa en su equilibrio único de estas capacidades", dijo Adam Kaufman, físico y líder del proyecto JILA / NIST.
Los relojes atómicos de próxima generación estabilizan el color, o la frecuencia, de un láser a los átomos "haciendo tictac" entre dos niveles de energía. El reloj de pinzas atrapa y controla los átomos individualmente para mantener la estabilidad y detecta este comportamiento sin perderlos, y así puedereutilice los mismos átomos muchas veces sin necesidad de recargar constantemente otros nuevos.
"El diseño de pinzas aborda varios problemas con otros relojes atómicos", dijo Kaufman. "Usando nuestra técnica, podemos retener los átomos y reutilizarlos por hasta 16 segundos, lo que mejora el ciclo de trabajo, la fracción del tiempo empleadousando el tictac de los átomos para corregir la frecuencia y precisión del láser. El reloj de pinzas también puede llevar un solo átomo muy rápidamente a un sitio de trampa, lo que significa que hay menos interferencia y se obtiene una señal más estable durante más tiempo ".
Los investigadores del NIST y JILA han estado construyendo relojes atómicos de próxima generación durante muchos años. Estos relojes funcionan a frecuencias ópticas, que son mucho más altas que los estándares de tiempo actuales basados en frecuencias de microondas. La investigación está ayudando a prepararse para la futura redefinición internacional deel segundo, que se basa en el átomo de cesio desde 1967. Los relojes ópticos también tienen aplicaciones más allá del cronometraje, como medir la forma de la Tierra en función de las mediciones de gravedad llamada geodesia, buscando la esquiva materia oscura que se cree que constituye la mayor parte de la materia enel universo y la mejora de las ciencias de la información cuántica.
Para crear el reloj de pinzas, se dirige un rayo láser infrarrojo a un microscopio y se enfoca a un punto pequeño. Las ondas de radio a 10 frecuencias diferentes se aplican secuencialmente a un deflector especial para crear 10 puntos de luz para atrapar átomos individuales. Las trampasse vuelven a llenar cada pocos segundos desde una nube de átomos preenfriada superpuesta con la luz de pinzas.
Los átomos que sostienen las pinzas son excitados por un láser estabilizado por una cavidad de cristal de silicio, en el que la luz rebota hacia adelante y hacia atrás a una frecuencia específica. Esta luz "láser de reloj" - proporcionada por el coautor y miembro de NIST / JILALaboratorio de Jun Ye: se aplica perpendicularmente a la luz de pinzas, junto con un campo magnético aplicado. Las imágenes no destructivas revelan si los átomos están funcionando correctamente; los átomos solo emiten luz o fluorescencia cuando están en el estado de energía más baja.
Demasiados átomos en el sistema pueden provocar colisiones que desestabilizan el reloj, por lo que para deshacerse de átomos adicionales, los investigadores aplican un pulso de luz para crear moléculas débilmente unidas, que luego se rompen y escapan de la trampa.dejado con un átomo o vacío; con cada ejecución del experimento, cada pinza tiene aproximadamente un 50% de posibilidades de estar vacío o contener un solo átomo. Tener como máximo un átomo por sitio mantiene el tictac estable durante períodos de tiempo más largos.
Al igual que las pinzas de metal ordinarias, las pinzas láser ofrecen un control preciso, lo que permite a los investigadores variar el espacio entre los átomos y ajustar sus propiedades cuánticas. Kaufman ha usado previamente pinzas ópticas para "enredar" dos átomos, un fenómeno cuántico que une sus propiedades inclusoa distancia. Las pinzas se usan para excitar los átomos para que sus electrones se unan más débilmente al núcleo. Este estado "esponjoso" hace que sea más fácil atrapar los átomos en estados magnéticos internos opuestos llamados girar hacia arriba y hacia abajo. Luego, un procesollamado intercambio de espín enreda los átomos. Estados cuánticos especiales como el entrelazamiento pueden mejorar la sensibilidad de la medición y, por lo tanto, pueden mejorar la precisión del reloj.
El equipo de investigación ahora planea construir un reloj más grande y evaluar formalmente su desempeño. Específicamente, los investigadores planean usar más pinzas y átomos, con un objetivo de aproximadamente 150 átomos. Kaufman también planea agregar enredos, lo que podría mejorar la sensibilidad del relojy rendimiento y, en una aplicación separada, tal vez proporcionen una nueva plataforma para la computación cuántica y la simulación.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, el Centro de la Frontera de Física de la Fundación Nacional de Ciencias en JILA y el NIST.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :