Gli scienziati della JILA hanno inventato una nuova tecnica di imaging che produce rapidi, misurazioni precise del comportamento quantistico in un orologio atomico sotto forma di arte visiva quasi istantanea.

La tecnica combina spettroscopia, che estrae informazioni dalle interazioni tra luce e materia, con microscopia ad alta risoluzione.

Come descritto in Lettere di revisione fisica , il metodo JILA crea mappe spaziali degli spostamenti di energia tra gli atomi in un orologio atomico a reticolo di stronzio tridimensionale, fornendo informazioni sulla posizione di ciascun atomo e sul livello di energia, o stato quantistico.

La tecnica misura rapidamente gli effetti fisici importanti per gli orologi atomici, migliorando così la precisione dell'orologio, e può aggiungere nuovi dettagli a livello atomico agli studi di fenomeni come il magnetismo e la superconduttività. Nel futuro, il metodo potrebbe consentire agli scienziati di vedere finalmente una nuova fisica come la connessione tra fisica quantistica e gravità.

JILA è gestita congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall'Università del Colorado Boulder.

"Questa tecnica ci permette di scrivere un pezzo di bella 'musica' con luce laser e atomi, e poi mappalo in una struttura e congelalo come una pietra in modo che possiamo guardare i singoli atomi ascoltando i diversi toni del laser, leggere direttamente come un'immagine, "JILA/NIST Fellow Jun Ye ha detto.

Gli atomi sono in un cosiddetto gas degenere quantistico, in cui un gran numero di atomi interagiscono tra loro. Questo fenomeno "quantistico a molti corpi" sta estendendo la precisione della misurazione a nuovi estremi.

Per preparare gli atomi per uno scatto di bellezza, i ricercatori usano un impulso laser per guidare circa 10, 000 atomi di stronzio dal loro stato fondamentale a bassa energia a uno stato ad alta energia, stato eccitato. Quindi, un laser blu posizionato sotto il reticolo viene proiettato verso l'alto verticalmente attraverso gli atomi, e una macchina fotografica fotografa l'ombra proiettata dagli atomi, che è una funzione di quanta luce assorbono. Gli atomi dello stato fondamentale assorbono più luce.

Le immagini risultanti sono rappresentazioni in falsi colori di atomi nello stato fondamentale (blu) e nello stato eccitato (rosso). La regione bianca rappresenta gli atomi in una miscela fine di circa il 50% di rosso e il 50% di blu, creando un effetto screziato. Ciò si verifica perché questi atomi sono stati inizialmente preparati in uno stato quantistico di sovrapposizione, o entrambi gli stati fondamentale ed eccitato contemporaneamente, e la misurazione dell'immagine provoca un collasso in uno dei due stati, che crea "rumore" nell'immagine.

A dimostrazione, il team JILA ha creato una serie di immagini per mappare piccoli spostamenti di frequenza, o frazioni di atomi allo stato eccitato, tra le diverse regioni del reticolo. La capacità di effettuare confronti simultanei migliora la precisione e la velocità nelle misurazioni di un gruppo di atomi. I ricercatori hanno riferito di aver raggiunto una precisione record nella misurazione della frequenza di 2,5 x 10-19 (errore di appena 0,25 parti per miliardo di miliardi) in 6 ore. La spettroscopia di imaging dovrebbe migliorare notevolmente la precisione dell'orologio atomico JILA, e altri orologi atomici in generale.

La spettroscopia di imaging fornisce informazioni sull'ambiente locale degli atomi, simile all'incredibile risoluzione offerta dalla microscopia a effetto tunnel. Finora, il metodo è stato utilizzato per produrre immagini bidimensionali, ma potrebbe creare immagini 3D basate su misurazioni strato per strato come avviene nella tomografia, che combina più sezioni trasversali di oggetti solidi, Hai detto.

Una sorta di cristallo artificiale, il reticolo di atomi potrebbe anche essere utilizzato come sensore magnetico o gravitazionale per testare l'interazione tra diversi campi della fisica. Ye è molto entusiasta della possibilità futura di usare gli atomi nell'orologio come un sensore di gravità, per vedere come la meccanica quantistica, che opera su scale spaziali molto piccole, interagisce con la relatività generale, la teoria della gravità, una forza macroscopica.

"Mentre l'orologio migliora nei prossimi 20 anni, questo piccolo cristallo potrebbe non solo mappare come la gravità influenza la frequenza, ma potremmo anche iniziare a vedere l'interazione tra gravità e meccanica quantistica, " Ye ha detto. "Questo è un effetto fisico che nessuna sonda sperimentale ha mai misurato. Questa tecnica di imaging potrebbe diventare uno strumento molto importante".