En ny Sisyphus-kylningsteknik skulle kunna förbättra precisionen hos atomklockor

Den 29 augusti 2024 Detta artikel har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. 

Redaktörerna har framhävt följande egenskaper för att säkerställa innehållets trovärdighet: 

• faktagranskad granskad 
• av experter pålitlig källa 
• korrekturläst av Ingrid 

Fadelli, 

Phys.org Forskare i Neutral Atom Optical Clocks Group vid National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Colorado och Pennsylvania State University har nyligen utvecklat en ny sub-recoil Sisyphus kylningsteknik som kan bidra till att förbättra precisionen hos atomur. Denna teknik, som beskrivs i en artikel publicerad i Physical Review Letters, användes initialt för att skapa en högpresterande ytterbium optisk gittarklocka, men den kan även hjälpa till vid utvecklingen av andra klockor och kvantmetrologiverktyg. "Precisionspektronomi är ett mycket brett forskningsområde med lång historia," berättade Chun-Chia Chen, medförfattare till artikeln, för Phys.org. 

"Atomfysiker utför spektralstudier på objekt från atomer och joner till molekyler och mer. Överraskande nog har hög precisionspektronomi också utförts på antimateria, vilket är ett aktivt forskningsområde som för närvarande undersöks vid CERN." När Chen och hans kollegor vid NIST försökte förbättra noggrannheten och precisionen hos atomur råkade de på en artikel som beskrev ett nytt schema för Sisyphus laserkylning av väte och anti-väte. Inspirerade av detta schema började de utforma en liknande kylmetod som kunde förbättra prestandan hos deras atomur. 

Atomur är tidsmätande enheter som refererar till en frekvens som är kopplad till atomernas oscillerande rörelse. Driften av dessa klockor bygger på högprecisionspektronomitekniker som adresserar atomiska tillstånd med långa livslängder och en ultrasmal övergångsbredd mellan dessa tillstånd, som vanligtvis ligger på sub-Hz-nivån. 

"Traditionellt använder vi denna ultrasmala spektral egenskap för frekvensstabiliseringsändamål, vilket utgör den grundläggande idén för nuvarande state-of-the-art frekvensstandarder och optiska atomur," förklarade Chen. "Innan vi utför högprecisionsspektronomi använder vi den ultrasmala excitationen tillsammans med ett annat kvantteknikverktyg för implementering av Sisyphus kylning." I grund och botten konstruerade Chen och hans kollegor energiskiftet för deras upphetsade klocktillstånd på ett strategiskt sätt enligt ett periodiskt modulerat mönster. Denna metod gjorde det möjligt för dem att exakt kontrollera platsen där en klocklinjeexcitation sker inom deras Sisyphus kylprocess. 

"Mer specifikt konfigurerar vi exciteringsvillkoret så att det sker föredömligen vid platsen som motsvarar botten av det periodiska potentiella landskapet," sade Chen. 

"När atomerna väl är upphetsade förlorar de sin kinetiska energi genom att klättra på potentialen och föredrar att lämna potentialen bort från potentialens minimum. Kylningen uppnås efter upprepade klättringar på energipotentialen." I sin senaste studie demonstrerade forskarna sin Sisyphus kylningsschema genom att dra nytta av den ultrasmala övergången hos en Ytterbium-baserad optisk gittarklocka. 

Samma tillvägagångssätt bör teoretiskt sett också vara tillämpligt på andra system utrustade med smala övergångslinjer. "De senaste två decennierna har målet att förverkliga högprecisionsklockspektroskopi av neutrala atomer bäst uppnåtts genom att skapa identiska fångstvillkor för atomer i både grundtillståndet och det upphetsade klocktillståndet," förklarade Chen. 

"Detta görs genom att konstruera en fälla som bildas av laserljus i en stående våg och som fungerar vid vad vi kallar en magisk våglängd. I denna situation är en skillnad i den fällande potentialen som upplevs av atomerna i de två atomtillstånden i princip en fiende till förverkligandet av en högprecisionsklockspektroskopi." De flesta nyliga ansträngningar att främja klockspektroskop har därför undersökt strategier för att minimera fällpotentialdifferensen mellan grundtillståndet och upphetsade klocktillståndet. För att tackla denna utmaning fokuserade Chen och hans kollegor på att förbättra kylningen av proverna innan de genomförde högprecisionsklockspektroskopi. 

"För att förbättra kylningen under proberedningen innan vi utförde klockspektroskopin införde vi tillfälligt en konstruerad rumsligt beroende upphetsningssteg, vilket introducerade mer, inte mindre, fällpotentialdifferens för de två klocktillstånden," sade Chen.

'Genom att göra detta kunde vi förstå Sisyphus kylmekanismen, vilket i sin tur förbättrade provets kondition senare för bättre klockspektroskopi med mindre fällpotentialskillnad. Dessutom hjälpte de svalare temperaturerna oss att använda grundare fällor på atomerna, vilket också minskade denna skillnad.'

Den nya Sisyphus-kylningstekniken utvecklad av detta forskarteam kan snart hjälpa till att förbättra noggrannheten hos andra optiska klocksyste. Dessutom kan den användas för att kyla prover för andra framväxande teknologier, inklusive kvantinformation och beräkningssystem. I sina kommande studier planerar dessa forskare att fortsätta använda sin Sisyphus-kylningsteknik för att förbättra noggrannheten hos optiska gitterklockor som utvecklats vid NIST.

'Den ytterligare kylningen gör det möjligt för oss att skapa atomensemble med jämnare förhållanden inuti den magiska våglängdstående laserfällan,' tillade forskaren Andrew Ludlow. 'Detta möjliggör i sin tur för oss att karakterisera små effekter av fällaser på klockfrekvensen mer noggrant och precist.'

'Dessutom tillåter de lägre temperaturerna oss att hålla atomerna i ännu svagare laserfällor, där oönskade fångsteffekter är ännu mindre. Efter några noggranna mätningar som vi för närvarande arbetar med, kommer allt detta att översättas till förbättrad klocknoggrannhet.'

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

Journal information: Physical Review Letters arXiv

© 2024 Science X Network