Die prÀziseste Uhr der Welt mit Supercold Strontium-Atomen

Eine neue Art von Atomuhren ist präziser als alle bisher gebauten, mit der Fähigkeit, die tausendfache Lebensdauer des Universums reibungslos zu steuern. Die neue so genannte Quantengasuhr könnte nicht nur der bisher beste Zeitnehmer sein, sondern auch Einblicke in neue Physik bieten.

Forscher bei JILA (früher auch als Joint Institute for Laboratory Astrophysics bezeichnet) verwendeten eine Kombination aus Strontiumatomen und einer Reihe von Laserstrahlen, um eine Uhr zu erzeugen, die so genau ist, dass sie die Wechselwirkung der Schwerkraft in kleineren Maßstäben messen kann als je zuvor . Damit könnte es die Art seiner Beziehung zu anderen fundamentalen Kräften erhellen, ein Rätsel, das Physiker seit Jahrzehnten verblüfft.

Atomuhren messen die Zeit, indem sie die Schwingungen von Atomen wie ein sehr präzises Metronom verwenden. Die aktuellen Atomuhren sind sekundenschnell über mehrere Milliarden von Jahren abgeschaltet. Diese neueste Iteration bleibt präzise genug, dass sie in etwa 90 Milliarden Jahren nur um 1 Sekunde ausfällt. [5 der genauesten Uhren aller Zeiten]

Um diese Präzision zu erreichen, kühlte das Team die Strontiumatome ab, damit sie sich nicht bewegen und aneinanderstoßen - etwas, das ihre Schwingungen abschütteln kann. Zuerst trafen sie die Atome mit Lasern. Wenn sie von den Photonen in den Lasern getroffen wurden, absorbierten die Atome ihre Energie und emittierten erneut ein Photon, wobei sie kinetische Energie verloren und kälter wurden. Aber das hat sie nicht genug abgekühlt. Um sie noch kälter zu machen, setzte das Team auf Verdunstungskühlung, wodurch einige der Strontiumatome verdampfen und noch mehr Energie aufnehmen konnten. Sie hatten zwischen 10.000 und 100.000 Atome bei einer Temperatur von nur 10 bis 60 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 459 Grad Fahrenheit (minus 273 Grad Celsius).

Die kalten Atome wurden durch eine 3D-Anordnung von Lasern eingefangen. Die Strahlen waren so eingerichtet, dass sie sich gegenseitig störten. Als sie dies taten, schufen sie Regionen mit niedriger und hoher potentieller Energie, sogenannte potenzielle Quellen. Die Brunnen verhalten sich wie gestapelte Eierkartons, und jeder hält ein Strontiumatom.

Die Atome wurden so kalt, dass sie aufhörten miteinander zu interagieren - im Gegensatz zu einem normalen Gas, in dem Atome zufällig herumlaufen und von ihren Begleitern abprallen, bleiben solche gekühlten Atome ziemlich still. Sie beginnen sich dann auf eine Weise zu verhalten, die weniger wie ein Gas und mehr wie ein Feststoff ist, obwohl der Abstand zwischen ihnen viel größer ist als der, der in festem Strontium gefunden wird. [8 Möglichkeiten, Einsteins Relativitätstheorie im wirklichen Leben zu sehen]

"Unter diesem Gesichtspunkt ist es ein sehr interessantes Material; es hat Eigenschaften, als ob es ein solider Zustand wäre", sagte Projektleiter Jun Ye, Physiker am National Institute of Standards and Technology, gegenüber Live Science. (JILA wird gemeinsam vom NIST und der University of Colorado in Boulder betrieben.)

An diesem Punkt war die Uhr bereit, die Zeit zu halten: Die Forscher trafen die Atome mit einem Laser und reckten eines der Elektronen, die den Strontiumkern umkreisten. Weil Elektronen von den Gesetzen der Quantenmechanik beherrscht werden, kann man nicht sagen, auf welchem ​​Energieniveau sich das Elektron befindet, wenn es einmal angeregt ist, und kann nur sagen, dass es eine Wahrscheinlichkeit hat, in dem einen oder anderen zu sein. Um das Elektron zu messen, feuerten sie nach 10 Sekunden einen weiteren Laser auf das Atom. Dieser Laser misst, wo sich das Elektron um den Kern herum befindet, wenn ein Photon vom Laser wieder emittiert wird - und wie oft es in dieser Periode (den 10 Sekunden) oszillierte.

Die Mittelung dieser Messung über Tausende von Atomen gibt dieser Atomuhr ihre Präzision, so wie man die Schläge Tausender identischer Pendel messen kann, um eine genauere Vorstellung davon zu bekommen, wie die Periode des Pendels aussehen sollte.

Bis jetzt hatten Atomuhren nur einzelne "Stränge" von Atomen im Gegensatz zu einem 3D-Gitter, so dass sie nicht so viele Messungen machen konnten wie dieser, sagte Ye.

"Es ist wie Uhren zu vergleichen", sagte Ye. "Mit dieser Analogie löst der Laserpuls an den Atomen eine kohärente Schwingung aus. Zehn Sekunden später schalten wir den Puls erneut ein und fragen das Elektron:, Wo bist du? '" Diese Messung wird über Tausende von Atomen gemittelt.

Es sei schwierig, Elektronen in diesem Zwischenzustand zu halten, sagte Ye, und das ist ein weiterer Grund, warum die Atome so kalt sein müssen, dass die Elektronen nicht zufällig irgendetwas anderes berühren.

Die Uhr kann im Wesentlichen Sekunden bis zu 1 Teil in Billionen messen. Diese Fähigkeit macht mehr als ein wirklich guter Zeitnehmer; Es könnte bei der Suche nach Phänomenen wie der Dunklen Materie helfen, sagte Ye. Zum Beispiel könnte man ein Experiment im Weltraum mit solch einem genauen Zeitgeber durchführen, um zu sehen, ob sich Atome anders verhalten, als von konventionellen Theorien vorhergesagt.

Die Studie wird in der 6. Oktober-Ausgabe der Zeitschrift Science ausführlich beschrieben.

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