Bago, Mas Tumpak na Atomic Clock Maaaring Makatulong Makakita ng Madilim na Bagay at Pag-aralan ang Epekto ng Gravity sa Oras

Ang mga atom ay nakulong sa isang optical void na binubuo ng dalawang salamin. Kapag ang isang “compressor” laser ay ipinasok sa pamamagitan ng puwang, ang mga atomo ay nakagulo at ang dalas nito ay sinusukat sa isang pangalawang laser bilang isang platform para sa mas tumpak na mga atomic na orasan. Kredito: sa kabutihang loob ng mga mananaliksik

Ang bagong disenyo ng orasan ng atomic na gumagamit ng mga naka-ugnay na mga atomo ay makakatulong sa mga siyentista na tuklasin ang madilim na bagay at pag-aralan ang epekto ng grabidad sa oras.

Ang mga atomic na orasan ay ang pinaka-tumpak na mga tagapagbantay ng oras sa buong mundo. Ang mga mahusay na instrumento na ito ay gumagamit ng mga laser upang sukatin ang mga panginginig ng mga atomo na uma-oscillate sa isang pare-pareho na dalas, tulad ng maraming mga microscopic pendulum na nakikipag-swing sa sync. Ang pinakamahusay na mga atomic na orasan sa mundo ay nagpapanatili ng oras na tumpak na kung sila ay paandar mula sa simula ng sansinukob, hindi sila papaganahin sa kalahating segundo lamang ngayon.

Gayunpaman, maaari silang maging mas tumpak. Kung ang mga atomic na orasan ay maaaring masukat nang mas tumpak ang mga atomic vibration, magiging sensitibo sila upang makita ang mga phenomena tulad ng dark matter at dark matter. mga alon ng gravity. Sa pamamagitan ng mas mahusay na mga atomic na orasan, maaaring magsimulang sagutin ng mga siyentista ang ilang mga katanungan na nakaka-bending ng isip, tulad ng kung anong epekto ang maaaring magkaroon ng gravity sa paglipas ng panahon, at kung ang oras mismo ay nagbabago habang ang uniberso ay edad.

Isang bagong uri ng atomic na orasan na dinisenyo ng Ngayon MAY maaaring paganahin ng mga physicist ang mga siyentista upang tuklasin ang mga naturang katanungan at posibleng magkaroon ng bagong pisika.

Ang mga mananaliksik ay nag-uulat sa journal ngayon Kalikasan Na nagtatayo sila ng isang atomic na orasan na hindi sumusukat sa random na pag-oscillating na ulap ng atomo, tulad ng pagsukat ng mga disenyo ng gilid, ngunit sa halip ay nahugit na mga atomo. Ang mga atom ay nauugnay sa isang paraan na imposible sa ilalim ng mga batas ng klasikal na pisika, na nagpapahintulot sa mga siyentipiko na masukat ang mga panginginig ng mga atomo nang mas tumpak.

Ang bagong pag-setup ay maaaring makamit ang parehong kawastuhan ng apat na beses na mas mabilis kaysa sa mga orasan nang walang gusot.

“Ang Entanlement-highly optic na mga atomic na orasan ay may potensyal na makamit ang katumpakan sa isang segundo na mas mahusay kaysa sa kasalukuyang state-of-the-art na mga orasan ng optika,” sabi ng pinuno ng may-akda na si Edwin Pedrozo-Peñafiel, kapwa mananaliksik na postdoctoral sa MIT’s Electronics Research Lab.

Kung ang mga state-of-the-art na atomic na orasan ay iniakma upang masukat ang mga nagpapalipat-lipat na mga atom habang itinakda ng koponan ng MIT, ang kanilang tiyempo ay magbabago upang ang mga orasan ay mas mababa sa 100 milliseconds sa buong edad ng uniberso.

Ang iba pang mga kapwa may-akda ng artikulo mula sa MIT ay sina Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, at Lester Wolfe Propesor ng Physics Vladan Vuletic.

Takdang oras

Mula pa nang masimulan ang pagsubaybay ng mga tao sa pagdaan ng oras, nagawa na nila ito gamit ang mga pana-panahong kaganapan tulad ng paggalaw ng araw sa kalangitan. Ngayon, ang mga panginginig sa mga atomo ay ang pinaka-matatag na pana-panahong mga kaganapan na maaaring obserbahan ng mga siyentipiko. Gayundin isang cesium atomo ito ay magpapasayaw nang eksakto sa parehong parehong dalas ng isa pang cesium atom.

Upang mapanatili ang perpektong oras, perpektong susubaybayan ng mga orasan ang mga oscillation ng isang solong atom. Ngunit sa sukatang ito, ang isang atomo ay napakaliit na kumikilos ayon sa mahiwagang mga patakaran ng mga mekanika ng kabuuan: Kapag sinusukat, kumikilos ito tulad ng isang baligtad na barya, na nagbibigay lamang ng mga tamang probabilidad kapag nag-average ng maraming pagliko. Ang limitasyon na ito ay tinatawag ng mga physicist na Standard Quantum Limit.

“Kapag nadagdagan mo ang bilang ng mga atom, ang average na ibinigay ng lahat ng mga atoms na ito ay napupunta sa isang bagay na nagbibigay ng tamang halaga,” sabi ni Colombo.

Iyon ang dahilan kung bakit ang mga atomic na orasan ay dinisenyo upang masukat ang isang gas na binubuo ng libu-libong mga atomo ng parehong uri upang makakuha ng isang pagtatantya ng average na mga oscillation. Ginagawa ito ng isang karaniwang atomic na orasan sa pamamagitan ng unang pagkonekta ng isang gas ng mga ultra-cooled atoms sa isang bitag na nilikha ng isang laser gamit ang isang laser system. Ang isang segundo, matatag na laser na may dalas na malapit sa mga panginginig ng mga atomo ay ipinadala upang siyasatin ang pag-oscillation ng atomic at sa gayon ay subaybayan ang oras.

Gayunpaman, ang Standard Quantum Limit ay gumagana pa rin, na nangangahulugang mayroong ilang kawalang katiyakan tungkol sa kanilang tumpak na mga indibidwal na frequency kahit sa libu-libong mga atomo. Dito ipinapakita ni Vuletic at ng kanyang pangkat na makakatulong ang quantum entanglement. Sa pangkalahatan, inilarawan ng kabuuan ng entanglement ang isang di-klasikal na pisikal na estado kung saan ang mga atomo sa isang pangkat ay nagpapakita ng kaugnay na mga resulta ng pagsukat kahit na ang bawat atomo ay kumikilos tulad ng isang random shot ng isang barya.

Naisip ng koponan na kung ang mga atomo ay nabagabag, ang kanilang mga indibidwal na oscillation ay pipilipitin sa paligid ng isang karaniwang dalas na may mas kaunting pagpapalihis kaysa sa kung hindi sila nabagabag. Samakatuwid, ang average na mga oscillation na susukat ng isang atomic na orasan ay magkakaroon ng kawastuhan na lampas sa Standard Quantum Limit.

Nakabalot na mga orasan

Sa kanilang bagong mga atomic na orasan, si Vuletic at ang kanyang mga kasamahan ay nakakabit ng halos 350 mga atomo ng ytterbium na inilalabas sa parehong napakataas na dalas ng nakikitang ilaw, nangangahulugang ang anumang atom ay nanginginig 100,000 beses nang higit pa sa cesium sa isang segundo. Kung ang oscillations ng yterbium ay maaaring masubaybayan nang tumpak, maaaring gamitin ng mga siyentista ang mga atomo upang makilala ang lalong mas maliit na agwat ng oras.

Gumamit ang pangkat ng karaniwang mga diskarte upang palamig ang mga atomo at panatilihin ang mga ito sa isang optikal na lukab na nabuo ng dalawang salamin. Nagpadala sila pagkatapos ng isang laser sa pamamagitan ng optikal na lukab na ping-pong sa pagitan ng mga salamin at nakikipag-ugnay sa mga atomo ng libu-libong beses.

“Ito ay tulad ng kung ang ilaw ay gumaganap bilang isang ugnayan sa komunikasyon sa pagitan ng mga atomo,” paliwanag ni Shu. “Ang unang atomo na nakakakita ng ilaw na ito ay magbabago ng kaunti ng ilaw, at ang ilaw na ito ay magbabago ng pangalawang atomo at pangatlong atom, at sa maraming siklo, ang mga atomo ay sama-sama na kinikilala ang bawat isa at nagsisimulang kumilos nang katulad.”

Sa ganitong paraan, nababalot ng mga mananaliksik ang mga atomo at pagkatapos ay gumamit ng isa pang laser na katulad ng mayroon nang mga atomic na orasan upang masukat ang kanilang average na mga frequency. Kapag ang koponan ay nagsagawa ng isang katulad na eksperimento nang hindi nakikipag-ugnay sa mga atom, nalaman nila na ang atomic na orasan kung saan ang mga atom na gumagala ay umabot sa nais na eksaktong apat na beses na mas mabilis.

“Sa pagsukat ng mas mahaba, maaari mong palaging gawing mas tumpak ang relo,” sabi ni Vuletic. “Ang tanong ay kung gaano ka kalayo dapat mong maabot ang isang katiyakan. Maraming mga phenomena ang kailangang sukatin sa mabilis na mga takdang oras.”

Kung ang mga state-of-the-art na atomic na orasan ay maaaring iakma upang masukat ang malalaking nakakabit na mga atomo, hindi lamang nila mapapanatili ang oras nang mas mahusay ngunit makakatulong sa pag-decipher ng mga signal sa uniberso tulad ng madilim na bagay at gravitational na alon, at sagutin ang ilang mga lumang katanungan.

“Nagbabago ba ang bilis ng ilaw habang tumatanda ang uniberso? Nagbabago ba ang singil ng electron? “Vuletic says.” Ito ang maaari mong saliksikin na may mas tumpak na mga atomic na orasan.

Sanggunian: “Ang pagkalito sa paglipat ng optika ng atomic na orasan” nina Edwin Pedrozo-Peñafiel, Simone Colombo, Chi Shu, Albert F. Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Daisuke Akamatsu, Yanhong Xiao at Vladan Vuletić, 16 Disyembre 2020, Kalikasan.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3006-1

Ang pananaliksik na ito ay bahagyang suportado DARPANational Science Foundation at Maritime Research Office.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

“Virtual Pag-deploy” – Nabasa ng mga siyentista ang isang 300-taong-gulang na selyadong makasaysayang liham nang hindi ito binubuksan

Animasyon ng paglawak ng computer ng selyadong letrang DB-1538. Sa aming papel, inilalarawan namin kung paano ginamit ang "virtual na pag-deploy" upang basahin...

“Hindi pa nagagawang” Natuklasan ang Bagong Bersyon ng Symbiosis

Ang endosymbiont-enhancing endosymbiont ay nagpapalakas sa unicellular eukaryotic host na sumipsip ng nitrate, na nagpapahiwatig na ang unicellular eukaryotes ay maaaring makatanggap ng endosymbionts...

Pagdidisenyo ng isang interface ng hangganan sa pagitan ng 2D at 3D na mga materyales

May-akda David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology Marso 2, 2021 Ang mga larawang ito ng "mga isla" ng mga atomo ng ginto na idineposito sa...

Bakit magkakaiba ang komposisyon ng kemikal ng solar na enerhiya

Linn Noong Agosto 21, 2017, sa panahon ng kabuuang solar eclipse, ang mga sinag ng araw ay lumitaw na puti. Mula kay...

Natagpuan ng mga Mananaliksik ang Taba ng Tiyan Laban sa Pantas na Pag-aayuno – “Ang Lokasyon ay Gumagawa ng Malaking Pagkakaiba”

Ipinakita ng mga pag-aaral sa daga ang mga sanhi ng lokasyon ng taba para sa panandaliang pag-aayuno. Sa isang pag-aaral sa mouse, inanunsyo ng mga...

Newsletter

Subscribe to stay updated.