Nieuwe Sisyphus koeltechniek kan de precisie van atoomklokken verbeteren.

29 augustus 2024 feature

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidsregels van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

• Feitelijk gecontroleerd
• Vakpublicatie beoordeeld door vakgenoten
• Betrouwbare bron
• Geproeflezen

door Ingrid Fadelli, Phys.org

Onderzoekers van de Groep Neutrale Atomische Optische Klokken bij het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie (NIST), Universiteit van Colorado en Pennsylvania State University hebben recent een nieuwe sub-recoil Sisyphus koeltechniek bedacht die kan helpen de precisie van atoomklokken te verbeteren.

Deze techniek, uiteengezet in een paper gepubliceerd in Physical Review Letters, werd aanvankelijk gebruikt om een hoog presterende ytterbium optische roosterklok te creëren, maar kan ook helpen bij de ontwikkeling van andere klokken en kwantummeterstechnieken.

'Precisiespectroscopie is een zeer breed onderzoeksveld met een lange geschiedenis,' vertelde Chun-Chia Chen, medeauteur van het paper, aan Phys.org. 'Atoomfysici voeren spectroscopiestudies uit op objecten variërend van atomen en ionen tot moleculen en meer. Verrassend genoeg is hoog nauwkeurige spectroscopie ook uitgevoerd op antimaterie, wat een actief onderzoeksgebied is dat momenteel wordt verkend bij CERN.'

Terwijl ze probeerden de nauwkeurigheid en precisie van atoomklokken te verbeteren, kwamen Chen en zijn collega's bij NIST een paper tegen waarin een nieuw schema werd uiteengezet voor de Sisyphus laserkoeling van waterstof en antihydrogen. Geïnspireerd door dit schema gingen ze op zoek naar een vergelijkbare koelbenadering die de prestaties van hun atoomklokken kon verbeteren.

Atoomklokken zijn tijdsapparaten die een frequentie verwijzen naar de oscillerende beweging van atomen. De werking van deze klokken berust op hoog-nauwkeurige spectroscopietechnieken die atoomtoestanden met lange levensduur behandelen en een ultra-nauwe overgangslijndikte tussen deze toestanden, die typisch op sub-Hz niveau ligt.

'Traditioneel gebruiken we deze ultra-nauwe spectroscopiekenmerken voor frequentiestabilisatiedoeleinden, wat de kerngedachte is voor huidige state-of-the-art frequentiestandaarden en optische atoomklokken,' legde Chen uit. 'Voordat we hoog-nauwkeurige spectroscopie uitvoeren, maken we gebruik van de ultra-nauwe excitatie samen met een ander kwantumtechniek gereedschap voor de implementatie van Sisyphus koeling.'

Wezenlijk gezien hebben Chen en zijn collega's de energieverschuiving van hun opgewekte kloktoestand strategisch ontworpen volgens een periodiek gemoduleerd patroon. Met deze methode konden ze precies de locatie controleren waar een klokslijnexcitatie plaatsvindt binnen hun Sisyphus koelproces.

'Meer specifiek configureren we de excitatieconditie zodanig dat deze bij voorkeur plaatsvindt op de positie die overeenkomt met de onderkant van het periodieke potentieellandschap,' aldus Chen. 'Eenmaal opgewonden verliezen atomen hun kinetische energie door te klimmen in het potentieel en verlaten bij voorkeur het potentieellandschap weg van het minimum van het potentieel. De koeling wordt gerealiseerd na herhaaldelijk klimmen in het energiepotentieel.'

Als onderdeel van hun recente studie hebben de onderzoekers hun Sisyphus koelschema gedemonstreerd door gebruik te maken van de ultra-nauwe overgang van een op ytterbium gebaseerde optische roosterklok. Echter, dezelfde benadering zou theoretisch ook toepasbaar moeten zijn op andere systemen uitgerust met smalle lijnbreedte overgangen.

'De afgelopen twee decennia is het doel van het realiseren van hoog precieze klokspectroscopie van neutrale atomen het best bereikt door identieke vangstomstandigheden voor atomen in zowel de grond- als de opgewekte kloktoestand te creëren,' legde Chen uit.

'Dit gebeurt door het ontwerpen van een val gevormd door lasers in een staande golf en die werkt op wat we een magische golflengte noemen. In deze situatie vormt een verschil in het opvangpotentieel dat de atomen in de twee atomaire toestanden voelen in wezen een vijand van de realisatie van een hoogprecieze klokspectroscopie.'

De meest recente inspanningen gericht op het bevorderen van klokspectroscopie hebben daarom strategieën onderzocht om het verschil in valpotentieel tussen de grondtoestand en de opgewekte kloktoestand te minimaliseren. Om deze uitdaging aan te pakken richtten Chen en zijn collega's zich op het verbeteren van de koeling van monsters alvorens de hoog-nauwkeurige klokspectroscopie uit te voeren.

'Om verbeterde koeling te realiseren tijdens monsterbereiding voor het uitvoeren van de klokspectroscopie, introduceerden we tijdelijk een op engineered ruimtelijk afhankelijke opgewekte toestandverschuiving, die meer, niet minder, valpotentieelverschil introduceerde voor de twee kloktoestanden,' aldus Chen.

'Door dit te doen konden we het Sisyphus koelmechanisme realiseren, wat op zijn beurt de conditie van het monster later verbeterde voor betere klokspectroscopie met minder verschil in valpotentiaal. Bovendien hielpen de koelere temperaturen ons om ondiepere vallen op de atomen te gebruiken, wat ook dit verschil verminderde.'

De nieuwe Sisyphus koeltechniek bedacht door dit team van onderzoekers kan binnenkort helpen om de precisie van andere optische kloksystemen te verbeteren. Bovendien kan het worden gebruikt om monsters te koelen voor andere opkomende technologieën, waaronder kwantuminformatieverwerking en computersystemen. In hun volgende studies zijn deze onderzoekers van plan om hun Sisyphus koeltechniek te blijven gebruiken om de nauwkeurigheid van optische roosterklokken die zijn ontwikkeld bij NIST te verbeteren.

'Het extra koelen stelt ons in staat om atomaire ensembles te creëren met meer uniforme condities binnen de magische-golflengte staande-golf laser val,' voegde onderzoeker Andrew Ludlow toe. 'Dit stelt ons op zijn beurt in staat om kleine effecten van de vangende laser op de klokfrequentie zorgvuldiger en preciezer te karakteriseren.

'Bovendien stellen de lagere temperaturen ons in staat om de atomen vast te houden in zelfs zwakkere lasertraps, waar ongewenste vangsteffecten nog kleiner zijn. Na enkele zorgvuldige metingen waar we momenteel aan werken, zal dit alles resulteren in verbeterde klokprecisie.'

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

Journal informatie: Physical Review Letters, arXiv

© 2024 Science X Network