Nuova tecnica di raffreddamento di Sisifo potrebbe aumentare la precisione degli orologi atomici

29 agosto 2024 Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. 

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adelli, Phys.org I ricercatori del Gruppo degli Orologi Ottici ad Atomi Neutri presso l'Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia (NIST), l'Università del Colorado e la Pennsylvania State University hanno recentemente ideato una nuova tecnica di raffreddamento sub-recoil Sisifo che potrebbe contribuire a migliorare la precisione degli orologi atomici. 

Questa tecnica, delineata in un articolo pubblicato su Physical Review Letters, è stata inizialmente utilizzata per creare un orologio ad ottica in ittrio ad alte prestazioni, ma potrebbe anche aiutare nello sviluppo di altri orologi e strumenti di metrologia quantistica. "La spettroscopia di precisione è un campo di ricerca molto ampio con una lunga storia," ha detto Chun-Chia Chen, co-autore dell'articolo, a Phys.org. "I fisici atomici conducono studi spettroscopici su oggetti che vanno da atomi e ioni a molecole e oltre. Forse sorprendentemente, la spettroscopia ad alta precisione è stata anche condotta sull'anti-materia, che è attualmente un campo di ricerca attivo esplorato al CERN." 

Nel tentativo di migliorare l'accuratezza e la precisione degli orologi atomici, Chen e i suoi colleghi al NIST si sono imbattuti in un articolo che descriveva un nuovo schema per il raffreddamento laser Sisifo dell'idrogeno e dell'antihidrogeno. Prendendo ispirazione da questo schema, si sono messi a ideare un approccio di raffreddamento simile che potesse migliorare le prestazioni dei loro orologi atomici. 

Gli orologi atomici sono dispositivi di rilevazione del tempo che fanno riferimento a una frequenza al movimento oscillatorio degli atomi. Il funzionamento di questi orologi si basa su tecniche di spettroscopia ad alta precisione che trattano stati atomici con tempi di vita lunghi e una larghezza di transizione ultra-stretta tra questi stati, di solito a livello sub-Hz. "Tradizionalmente, utilizziamo questa caratteristica di spettroscopia ultra-stretta per la stabilizzazione della frequenza, che rappresenta l'idea principale per gli standard di frequenza all'avanguardia attuali e gli orologi atomici ottici," ha spiegato Chen. 

"Tuttavia, prima di eseguire la spettroscopia ad alta precisione, utilizziamo l'eccitazione ultra-stretta insieme ad un altro strumento di ingegneria quantistica per l'implementazione del raffreddamento Sisifo." Essenzialmente, Chen e i suoi colleghi hanno progettato strategicamente lo spostamento energetico del loro stato di orologio eccitato seguendo un modello periodicamente modulato. Questo metodo ha permesso loro di controllare con precisione il punto in cui avviene l'eccitazione della linea di orologio nel processo di raffreddamento Sisifo. "In particolare, configuriamo la condizione di eccitazione in modo tale che avvenga preferibilmente nella posizione corrispondente al fondo del paesaggio potenziale periodico," ha detto Chen. 

"Una volta eccitati, gli atomi perdono la loro energia cinetica salendo il potenziale e escono preferibilmente dal paesaggio potenziale lontano dal minimo del potenziale. Il raffreddamento avviene dopo aver scalato ripetutamente il potenziale energetico." Come parte del loro recente studio, i ricercatori hanno dimostrato il loro schema di raffreddamento Sisifo sfruttando la transizione ultra-stretta di un orologio ad ottica basato sull'ittrio. Tuttavia, lo stesso approccio dovrebbe teoricamente essere applicabile anche ad altri sistemi dotati di transizioni a linea stretta. 

"Negli ultimi due decenni, l'obiettivo di realizzare una spettroscopia di orologi ad alta precisione di atomi neutri è stato meglio raggiunto creando condizioni di trappola identiche per gli atomi sia nello stato fondamentale che nello stato di orologio eccitato," ha spiegato Chen. 

"Questo viene fatto ingegnerizzando una trappola formata da laser in un'onda stazionaria e che opera a ciò che chiamiamo una lunghezza d'onda magica. In questa situazione, una differenza nel potenziale di trappola percepito dagli atomi nei due stati atomici è essenzialmente nemica per la realizzazione di una spettroscopia di orologio ad alta precisione." 

Gli sforzi più recenti per avanzare nella spettroscopia di orologi hanno quindi esplorato strategie per ridurre al minimo la differenza di potenziale di trappola tra lo stato fondamentale e lo stato di orologio eccitato. Per affrontare questa sfida, Chen e i suoi colleghi si sono concentrati sull'elaborazione del raffreddamento dei campioni prima di eseguire la spettroscopia di orologio ad alta precisione. "Per realizzare un raffreddamento migliorato durante la preparazione del campione prima di eseguire la spettroscopia di orologio, abbiamo introdotto momentaneamente un cambiamento di stato eccitato spazialmente dipendente ingegnerizzato, che ha introdotto più, non meno, differenze di potenziale di trappola per i due stati dell'orologio," ha detto Chen.

'Fare ciò ci ha permesso di realizzare il meccanismo di raffreddamento di Sisifo, che a sua volta ha migliorato le condizioni del campione successivamente per una migliore spettroscopia dell'orologio con meno differenza di potenziale di trappola. Inoltre, le temperature più basse ci hanno aiutato a utilizzare trappole più superficiali sugli atomi, riducendo anche questa differenza.'

La nuova tecnica di raffreddamento di Sisifo ideata da questo team di ricercatori potrebbe presto contribuire a migliorare la precisione di altri sistemi di orologi ottici. Inoltre, potrebbe essere utilizzata per raffreddare campioni per altre tecnologie emergenti, tra cui l'elaborazione delle informazioni quantistiche e i sistemi informatici. Nei loro prossimi studi, questi ricercatori prevedono di continuare a utilizzare la loro tecnica di raffreddamento di Sisifo per migliorare l'accuratezza degli orologi a reticolo ottico sviluppati presso il NIST.

'Il raffreddamento aggiuntivo ci permette di creare insiemi atomici con condizioni più uniformi all'interno della trappola laser a onda stazionaria di lunghezza d'onda magica,' ha aggiunto il ricercatore Andrew Ludlow. 'Ciò a sua volta ci consente di caratterizzare in modo più attento e preciso piccoli effetti del laser di trappola sulla frequenza dell'orologio.'

'Inoltre, le temperature più basse ci permettono di trattenere gli atomi anche in trappole laser ancora più deboli, dove gli effetti di trattenimento indesiderati sono ancora più piccoli. Dopo alcune misurazioni attente su cui stiamo attualmente lavorando, tutto ciò si tradurrà in un'accuratezza dell'orologio migliorata.'

Ulteriori informazioni: Chun-Chia Chen et al, Clock-Line-Mediated Sisyphus Cooling, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053401. In arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.13782

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters , arXiv

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