Nowa technika chłodzenia Sisyphe może zwiększyć precyzję zegarów atomowych

29 sierpnia 2024 funkcja

Ten artykuł został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami Science X. Redaktorzy zwrócili uwagę na następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

• Sprawdzane faktycznie
• Publikacja recenzowana przez rówieśników
• Zaufane źródło
• Skorygowane

przez Ingrid Fadelli , Phys.org

Badacze z Grupy Zegarów Optycznych Neutralnych Atomów w Narodowym Instytucie Standaryzacji i Technologii (NIST), Uniwersytecie Kolorado i Pennsylvania State University niedawno opracowali nową technikę chłodzenia sub-recoil Sisyphus, która może pomóc w poprawie precyzji zegarów atomowych.

Ta technika, przedstawiona w artykule opublikowanym w Physical Review Letters, początkowo została użyta do stworzenia bardzo wydajnego zegara optycznego z siateczką itterbium, ale może również pomóc w rozwoju innych zegarów oraz narzędzi metrologii kwantowej.

„Spektroskopia precyzyjna to bardzo szerokie pole badań z długą historią,” powiedział Phys.org Chun-Chia Chen, współautor artykułu. „Fizycy atomowi przeprowadzają badania spektroskopowe na obiektach począwszy od atomów i jonów, a skończywszy na cząsteczkach i więcej. Może zaskakująco, spektroskopia wysokiej precyzji była również prowadzona na antymaterii, która jest aktywnym obszarem badań obecnie eksplorowanym w CERNie.”

Podczas próby poprawy dokładności i precyzji zegarów atomowych, Chen i jego koledzy z NIST natknęli się na artykuł, który opisywał nowy schemat chłodzenia laserowego Sisyphus wodoru i anty-wodoru. Czerpiąc inspirację z tego schematu, postanowili opracować podobne podejście chłodzenia, które mogłoby poprawić wydajność ich zegarów atomowych.

Zegary atomowe to urządzenia do określania czasu, odnoszące się do częstotliwości ruchu drgającego atomów. Działanie tych zegarów opiera się na technikach spektroskopii o wysokiej precyzji, które zajmują się stanami atomowymi o długiej żywotności i ultra-cienkiej szerokości linii przejścia między tymi stanami, która zazwyczaj oscyluje na poziomie sub-Hz.

„Tradycyjnie używamy tego ultra-cienkiego elementu spektroskopii do celów stacjonarnej częstotliwości, co stanowi podstawowy pomysł dla obecnych najnowocześniejszych standardów częstotliwościowych i optycznych zegarów atomowych,” wyjaśnił Chen. „Jednak przed przeprowadzeniem spektroskopii o wysokiej precyzji wykorzystujemy ultra-cienkie wzbudzenie razem z innym narzędziem inżynierii kwantowej do implementacji chłodzenia Sisyphus.”

W zasadzie Chen i jego koledzy strategicznie zaprojektowali przesunięcie energii swojego stanu zegarowego po wzbudzeniu w sposób periodycznie modyfikowany. Ta metoda pozwoliła im precyzyjnie kontrolować miejsce, w którym następuje wzbudzenie linii zegara w ramach ich procesu chłodzenia Sisyphus.

„Konkretniej, konfigurujemy warunek wzbudzenia w taki sposób, aby następował on preferencyjnie w miejscu odpowiadającym dnu krajobrazu potencjału periodycznego,” powiedział Chen. „Gdy zostaną wzbudzone, atomy tracą swoją energię kinetyczną, pnąc się do potencjału i wychodząc z terenu potencjału z dala od minimum potencjału. Chłodzenie jest realizowane po powtarzalnym wspinalu się na energię potencjalną.”

W ramach ich najnowszej pracy badawczej, naukowcy zaprezentowali swój schemat chłodzenia Sisyphus, wykorzystując ultra-cienkie przejście zegara monoszczelinowego na bazie itterbium. Jednak ta sama metoda teoretycznie powinna być również stosowana w innych systemach wyposażonych w wąskie przejścia linii.

„Przez ostatnie dwie dekady celem osiągnięcia wysokiej precyzji spektroskopii zegarów atomowych było najlepiej osiągnięte przez stworzenie identycznych warunków uwięzienia dla atomów zarówno w stanie podstawowym, jak i wzbudzonym stanem zegara,” wyjaśnił Chen.

„Działanie to polegające na stworzeniu pułapki utworzonej przez lasery w postaci fali stojącej jest tak zwane magiczne-długość-fali. W tej sytuacji różnica w potencjale pułapki odczuwana przez atomy w dwóch stanach atomowych stanowi praktycznie wrogów realizacji precyzyjnej spektroskopii zegara.”

Najnowsze wysiłki mające na celu rozwinięcie spektroskopii zegarowej eksplorowały zatem strategie minimalizowania różnicy w potencjale pułapki między stanem podstawowym a wzbudzonym stanem zegara. Aby poradzić sobie z tym wyzwaniem, Chen i jego koledzy skupili się na poprawie chłodzenia próbek przed przeprowadzeniem spektroskopii zegara o wysokiej precyzji.

„Aby zrealizować poprawione chłodzenie podczas przygotowywania próbek przed przeprowadzeniem spektroskopii zegara, wprowadziliśmy momentalnie zaprojektowane przesunięcie stanu wzbudzonego zależne przestrzennie, które wprowadziło więcej, a nie mniej, różnicy w potencjale pułapki dla obu stanów zegara,” powiedział Chen.

'Wykonanie tego pozwoliło nam zrealizować mechanizm chłodzenia Syzyfa, co z kolei poprawiło później stan próbki dla lepszej spektroskopii zegara z z mniejszą różnicą potencjału pułapki. Ponadto, niższe temperatury pomogły nam używać płytszych pułapek na atomach, co również zmniejszyło tę różnicę.' 'Nowa technika chłodzenia Syzyfa opracowana przez ten zespół badaczy wkrótce może pomóc poprawić precyzję innych optycznych systemów zegarowych. Ponadto, może być używana do chłodzenia próbek dla innych nowych technologii, w tym przetwarzania informacji kwantowej i systemów komputerowych. W ich kolejnych badaniach ci badacze planują kontynuować używanie swojej techniki chłodzenia Syzyfa do poprawy dokładności optycznych zegarów sieciowych opracowanych w NIST.' 'Dodatkowe chłodzenie pozwala nam tworzyć zbiory atomowe z bardziej jednolitymi warunkami wewnątrz pułapki lasera o stałej długości fali magicznej,' dodał badacz Andrew Ludlow. 'To z kolei pozwala nam bardziej dokładnie i precyzyjnie charakteryzować małe efekty lasera pułapkowego na częstotliwość zegara.' 

'Ponadto, niższe temperatury pozwalają nam trzymać atomy w jeszcze słabszych pułapkach laserowych, gdzie niepożądane efekty pułapkowania są jeszcze mniejsze. Po kilku dokładnych pomiarach, nad którymi obecnie pracujemy, wszystko to przyczyni się do poprawy dokładności zegara.' Więcej informacji: Chun-Chia Chen et al, Chłodzenie Syzyfa poprzez linię zegara, Listy Przeglądu Fizycznego (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053401. Na arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.13782 Informacje o czasopiśmie: Listy Przeglądu Fizycznego, arXiv © 2024 Sieć Science X.