I fisici JILA hanno creato un design completamente nuovo per un orologio atomico, in cui gli atomi di stronzio sono impacchettati in un minuscolo cubo tridimensionale (3-D) a 1, 000 volte la densità dei precedenti orologi unidimensionali (1-D). Così facendo, sono i primi a sfruttare il comportamento ultracontrollato di un cosiddetto "gas quantistico" per realizzare un pratico dispositivo di misurazione.

Con così tanti atomi completamente immobilizzati sul posto, L'orologio a gas quantico cubico di JILA stabilisce un record per un valore chiamato "fattore di qualità" e la precisione di misurazione risultante. Un grande fattore di qualità si traduce in un alto livello di sincronizzazione tra gli atomi e i laser utilizzati per sondarli, e rende i "ticchettii" dell'orologio puri e stabili per un tempo insolitamente lungo, ottenendo così una maggiore precisione.

Fino ad ora, ciascuna delle migliaia di atomi "ticchettio" negli orologi avanzati si comporta e viene misurata in gran parte indipendentemente. In contrasto, il nuovo orologio cubico a gas quantistico utilizza una raccolta di atomi che interagiscono a livello globale per limitare le collisioni e migliorare le misurazioni. Il nuovo approccio promette di inaugurare un'era di misurazioni e tecnologie notevolmente migliorate in molte aree basate su sistemi quantistici controllati.

Il nuovo orologio è descritto nel numero del 6 ottobre di Scienza .

"Stiamo entrando in un momento davvero entusiasmante in cui possiamo ingegnerizzare quantisticamente uno stato della materia per un particolare scopo di misurazione, " ha detto il fisico Jun Ye del National Institute of Standards and Technology (NIST). Ye lavora presso JILA, che è gestito congiuntamente dal NIST e dall'Università del Colorado Boulder.

Il fulcro dell'orologio è uno stato insolito della materia chiamato gas di Fermi degenerato (un gas quantistico per le particelle di Fermi), creato per la prima volta nel 1999 dalla defunta collega di Ye, Deborah Jin. Tutti gli orologi atomici precedenti hanno utilizzato gas termici. L'uso di un gas quantistico consente di quantizzare tutte le proprietà degli atomi, o limitato a valori specifici, per la prima volta.

"Il potenziale più importante dell'orologio a gas quantistico 3-D è la capacità di aumentare i numeri degli atomi, che porterà ad un enorme guadagno di stabilità, " Hai detto. "Inoltre, potremmo raggiungere la condizione ideale di far funzionare l'orologio con la sua piena coerenza temporale, che si riferisce a quanto tempo una serie di tick può rimanere stabile. La capacità di aumentare sia il numero di atomi che il tempo di coerenza renderà questo orologio di nuova generazione qualitativamente diverso dalla generazione precedente".

Fino ad ora, gli orologi atomici hanno trattato ogni atomo come una particella quantistica separata, e le interazioni tra gli atomi ponevano problemi di misura. Ma una collezione ingegnerizzata e controllata, un "sistema quantistico a molti corpi, " dispone tutti i suoi atomi in un modello particolare, o correlazione, per creare lo stato energetico complessivo più basso. Gli atomi poi si evitano l'un l'altro, indipendentemente da quanti atomi vengono aggiunti all'orologio. Il gas degli atomi si trasforma effettivamente in un isolante, che blocca le interazioni tra i costituenti.

Il risultato è un orologio atomico in grado di superare tutti i predecessori. Per esempio, la stabilità può essere pensata come la precisione con cui la durata di ogni tick corrisponde a ogni altro tick, che è direttamente collegato alla precisione di misurazione dell'orologio. Rispetto ai precedenti orologi 1-D di Ye, il nuovo orologio a gas quantistico 3D può raggiungere lo stesso livello di precisione più di 20 volte più velocemente a causa dell'elevato numero di atomi e dei tempi di coerenza più lunghi.

I dati sperimentali mostrano che l'orologio a gas quantistico 3D ha raggiunto una precisione di appena 3,5 parti di errore in 10 quintilioni (1 seguito da 19 zeri) in circa 2 ore, rendendolo il primo orologio atomico a raggiungere quella soglia (19 zeri). "Questo rappresenta un miglioramento significativo rispetto a qualsiasi precedente dimostrazione, "Hai detto.

Il più vecchio, La versione 1-D dell'orologio JILA era, fino ad ora, l'orologio più preciso del mondo. Questo orologio contiene atomi di stronzio in una serie lineare di trappole a forma di pancake formate da raggi laser, chiamato reticolo ottico. Il nuovo orologio a gas quantistico 3D utilizza laser aggiuntivi per intrappolare gli atomi lungo tre assi in modo che gli atomi siano tenuti in una disposizione cubica. Questo orologio può mantenere tic stabili per quasi 10 secondi con 10, 000 atomi di stronzio intrappolati a una densità superiore a 10 trilioni di atomi per centimetro cubo. Nel futuro, l'orologio potrebbe essere in grado di sondare milioni di atomi per più di 100 secondi alla volta.

Orologi a reticolo ottico, nonostante le loro elevate prestazioni in 1-D, devono fare i conti con un compromesso. La stabilità dell'orologio potrebbe essere ulteriormente migliorata aumentando il numero di atomi, ma una maggiore densità di atomi incoraggia anche le collisioni, spostando le frequenze a cui gli atomi ticchettano e riducendo la precisione dell'orologio. Anche i tempi di coerenza sono limitati dalle collisioni. È qui che possono essere d'aiuto i vantaggi della correlazione a molti corpi.

Il design del reticolo 3D, immagina un grande cartone per le uova, elimina questo compromesso mantenendo gli atomi in posizione. Gli atomi sono fermioni, una classe di particelle che non possono trovarsi nello stesso stato quantistico e nella stessa posizione contemporaneamente. Per un gas quantistico di Fermi nelle condizioni operative di questo orologio, la meccanica quantistica favorisce una configurazione in cui ogni singolo sito reticolare è occupato da un solo atomo, che impedisce gli spostamenti di frequenza indotti dalle interazioni atomiche nella versione 1-D dell'orologio.

I ricercatori JILA hanno utilizzato un laser ultra stabile per raggiungere un livello record di sincronizzazione tra atomi e laser, raggiungendo un fattore di qualità record di 5,2 quadrilioni (5,2 seguito da 15 zeri). Il fattore di qualità si riferisce a quanto tempo un'oscillazione o una forma d'onda può persistere senza dissiparsi. I ricercatori hanno scoperto che le collisioni atomiche sono state ridotte in modo tale che il loro contributo agli spostamenti di frequenza nell'orologio era molto inferiore rispetto agli esperimenti precedenti.

"Questo nuovo orologio allo stronzio che utilizza un gas quantistico è un successo precoce e sorprendente nell'applicazione pratica della 'nuova rivoluzione quantistica, ' a volte chiamato 'quantum 2.0', " disse Thomas O'Brian, capo della divisione di fisica quantistica del NIST e supervisore di Ye. "Questo approccio rappresenta un'enorme promessa per NIST e JILA di sfruttare le correlazioni quantistiche per un'ampia gamma di misurazioni e nuove tecnologie, ben oltre i tempi".

A seconda degli obiettivi di misurazione e delle applicazioni, I ricercatori JILA possono ottimizzare i parametri dell'orologio come la temperatura operativa (da 10 a 50 nanokelvin), numero dell'atomo (10, da 000 a 100, 000), e dimensione fisica del cubo (da 20 a 60 micrometri, o milionesimi di metro).

Gli orologi atomici hanno da tempo fatto avanzare la frontiera della scienza della misurazione, non solo nel cronometraggio e nella navigazione, ma anche nelle definizioni di altre unità di misura e in altre aree di ricerca come nelle ricerche da tavolo per la "materia oscura" mancante nell'universo.

L'Ufficio nazionale degli standard, ora NIST, inventò il primo orologio atomico nel 1948.