Fizycy niedawno zaprezentowali publiczności najdokładniejszy zegarek na świecie, którego unikalny projekt opiera się na specjalnej organizacji atomów strontu w trójwymiarowej przestrzeni. Okazało się, że to urządzenie jest przydatne nie tylko do mierzenia czasu, ale także do poszukiwania tajemniczej ciemnej materii w głębinach kosmosu.
Naukowcy z Boulder's JILA Laboratory na Uniwersytecie w Kolorado opracowali niezwykle dokładny kwantowy zegar atomowy oparty na unikalnej trójwymiarowej strukturze. Projekt dosłownie wyznaczył nowy punkt odniesienia dla współczynnika jakości - miernika charakteryzującego dokładność pomiaru. Zegar tworzy z atomów strontu sześcian, który jest 1000 razy gęstszy niż poprzedni jednowymiarowy zegar. Po raz pierwszy projekt pozwala naukowcom z powodzeniem wykorzystać do tego celu tzw. „Gaz kwantowy”.
Najdokładniejszy zegarek na świecie
Zegar atomowy (inaczej zegar kwantowy lub molekularny) to urządzenie do pomiaru czasu, w którym w procesie okresowym nie stosuje się mechanizmu krzemowego, ale drgania występujące na poziomie atomowym i molekularnym. Na przykład, zgodnie z międzynarodowym układem SI, 1 sekunda to 9 192 631 770 okresów promieniowania elektromagnetycznego powstającego w wyniku przejścia między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu-133.
Wcześniej każdy atom w zegarze atomowym był uważany za oddzielną cząstkę, dlatego interakcje między atomami mogły powodować niedokładności w wykonywanych pomiarach. Jednak „kwantowy układ wielu ciał” zastosowany w nowym projekcie organizuje atomy według określonego wzorca, co pozwala im blokować ich wzajemne oddziaływanie, niezależnie od tego, ile atomów naukowcy ostatecznie wprowadzili do aparatu. Stan materii znany jako zdegenerowany gaz Fermiego (gaz złożony z cząstek Fermiego) umożliwia kwantyzację wszystkich atomów w układzie.
„Najważniejszym aspektem potencjału kwantowego zegara gazowego jest jego zdolność do zwiększania liczby atomów, co skutkuje ogromnym wzrostem stabilności” - wyjaśnia fizyk Jun Yeh z National Institute of Standards and Technology (NIST), który pracował nad projektem. Według niego ludzkość wkracza w „naprawdę ekscytującą erę, w której możemy poddać materię inżynierii kwantowej, aby zmierzyć określone ilości”. W testach laboratoryjnych błąd wyniósł 3,5 x 10 trylionów - to pierwszy zegar atomowy, który osiągnął tak imponującą dokładność.
Thomas O'Brien, szef fizyki kwantowej NIST i lider projektu, stwierdza, że „zegar strontowy wykorzystujący gaz kwantowy jest uderzającym przykładem technologii„ nowej rewolucji kwantowej”, czasami określanej jako„ kwant 2.0”. Jest również przekonany, że takie podejście i rozwój podobnych technologii w przyszłości pozwolą na wykorzystanie korelacji kwantowych do szerokiego zakresu pomiarów, a nawet do technologii niezwiązanych z czasem.
Film promocyjny:
Czas i przestrzeń
Na przykład zegar atomowy świetnie nadaje się do badań nad zrozumieniem ciemnej materii. Naukowcy już zasugerowali, że badanie drobnych błędów w działaniu zegarów atomowych nie pozwoli wyśledzić niczego więcej niż „kieszenie” ciemnej materii w kosmosie. Wcześniejsze badania wykazały, że układ zegara atomowego, a nawet jeden tak bardzo czuły aparat, może rejestrować zmiany częstotliwości drgań atomów i promieniowania laserowego, jeśli przechodzą przez obszar ciemnej materii. Biorąc pod uwagę, że nowy projekt jest znacznie stabilniejszy i dokładniejszy niż jego poprzednicy, być może pomoże nam rozwikłać jedną z najciekawszych tajemnic Wszechświata.
Wasilij Makarow