I fisici JILA hanno potenziato la potenza del segnale del loro "orologio a pinzette" atomico e ne hanno misurato in parte le prestazioni per la prima volta, dimostrando un'elevata stabilità prossima al meglio degli orologi atomici di ultima generazione.

L'orologio insolito, che utilizza pinzette laser per intrappolare, controllare e isolare gli atomi, offre possibilità uniche per migliorare le prestazioni dell'orologio utilizzando i trucchi della fisica quantistica e future applicazioni nell'elaborazione delle informazioni quantistiche, simulazione quantistica, e scienza della misurazione.

Descritto in a Natura paper pubblicato online il 16 dicembre la piattaforma dell'orologio è una griglia rettangolare di circa 150 atomi di stronzio confinati individualmente da pinzette ottiche, che vengono creati da un raggio laser puntato attraverso un microscopio e deviato in 320 punti. Questa versione aggiornata dell'orologio ha fino a 30 volte il numero di atomi del progetto preliminare presentato l'anno scorso, dovuto principalmente all'uso di diversi laser, compreso uno verde per intrappolare gli atomi e due rossi per farli "ticchettare".

Una volta che il laser ha iniziato a ticchettare gli atomi negli esperimenti descritti nell'articolo, una selezione di questi atomi ha continuato a vibrare all'unisono alla stessa frequenza per più di 30 secondi, un record per quella che viene chiamata coerenza quantistica. Il gran numero di atomi e i loro lunghi tempi di coerenza hanno portato a un'eccellente stabilità dell'orologio di 5,2 x 10-17 con un tempo medio di 1 secondo. Ciò significa che la durata di ogni "tick" dell'orologio corrisponde agli altri entro circa 1,9 quintilionesimi di secondo.

I ricercatori hanno misurato la stabilità confrontando due diverse regioni all'interno dell'orologio della pinzetta, notando che questa prestazione si avvicina a quella dell'orologio reticolo di stronzio 3-D di JILA, per i quali è stato inizialmente sviluppato il metodo di confronto interno. La stabilità del sistema 3-D è stata successivamente verificata con un confronto più convenzionale tra due orologi a reticolo ottico.

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

"Una delle scoperte importanti in questo lavoro è stata che abbiamo trovato un metodo per preparare molti atomi mantenendo la coerenza quantistica, Il fisico del NIST/JILA Adam Kaufman ha dichiarato:"Questa è stata la chiave per consentire un aumento del numero di atomi di 30 volte rispetto allo scorso anno, che consentiva anche numeri atomici sufficienti per autoconfronti e l'osservazione del lungo tempo di coerenza. Ma, oltre gli orologi, questa combinazione di scalabilità, coerenza, e il controllo a singola particella imposta anche questo sistema per l'elaborazione e la simulazione delle informazioni quantistiche".

I ricercatori del NIST e della JILA costruiscono orologi atomici da molti anni. Gli ultimi orologi funzionano a frequenze ottiche, che sono molto più alti degli attuali standard temporali basati sulle frequenze delle microonde. La ricerca sta aiutando a preparare la futura ridefinizione internazionale del secondo, che si basa sull'atomo di cesio dal 1967. Gli orologi ottici hanno anche applicazioni oltre il cronometraggio, come il miglioramento della scienza dell'informazione quantistica.

L'orologio a pinzetta combina alcune delle caratteristiche più desiderabili degli orologi ottici attualmente in funzione. Per esempio, come normali pinzette di metallo, le pinzette laser offrono un controllo preciso di, in questo caso, singoli atomi. L'orologio a pinzette fornisce anche i forti segnali e la stabilità forniti da molti atomi, centinaia ora e puntando a più di mille pinzette in futuro.

Per fare l'orologio, i ricercatori caricano una nuvola ghiacciata di atomi nel loro stato energetico più basso in un rettangolo, matrice bidimensionale di 320 pinzette (16 per 20) formata da un laser verde. Sovrapposti alle pinzette ci sono due raggi laser incrociati che creano un'onda stazionaria chiamata reticolo ottico. Il reticolo ottico riduce i requisiti di alimentazione delle pinzette a 1/30 del loro livello originale. Una nuova nuvola di atomi riempie le pinzette ogni pochi secondi. Un processo di filtraggio lascia siti di pinzette con un atomo o vuoti; con ogni esecuzione dell'esperimento, ogni pinzetta ha circa il 50% di possibilità di contenere un singolo atomo.

I ricercatori quindi spengono il laser verde e il reticolo e passano a un laser a pinzette rosso, che richiede più potenza ma favorisce il comportamento dell'orologio. Gli atomi trattenuti dalle pinzette sono eccitati da un "laser orologio" rosa applicato perpendicolarmente alla luce della pinzetta, insieme a un campo magnetico. Il laser dell'orologio eccita gli atomi, che iniziano a ticchettare tra due livelli di energia interna. Finalmente, si riaccendono le pinzette verdi e una telecamera registra lo stato degli atomi; emettono fluorescenza solo a basso livello di energia, quindi il ticchettio viene registrato come luce lampeggiante e può essere convertito in un segnale di temporizzazione.

Al di là del cronometraggio, I ricercatori JILA sono entusiasti di utilizzare la piattaforma tweezer per altre applicazioni come il calcolo e la simulazione quantistica e i sensori quantistici programmabili. Le pinzette ottiche possono essere utilizzate per "impigliare" gli atomi, un fenomeno quantistico che lega le loro proprietà anche a distanza. Stati quantistici speciali come l'entanglement possono migliorare la sensibilità di misurazione di orologi e sensori e potrebbero essere utilizzati anche in operazioni di logica quantistica e simulazioni di processi quantistici.

"Penso che si dovrebbe davvero guardare oltre gli orologi per questa nuova piattaforma, " Jun Ye, membro del NIST/JILA e co-autore, ha dichiarato:"Con la capacità di essere in grado di affrontare ogni singolo atomo, si può portare la programmabilità nel rilevamento quantistico e nell'elaborazione delle informazioni, una funzionalità che sarà potente per ottimizzare il sistema per compiti specifici."