In un nuovo studio pubblicato su Science oggi, Jun Ye, membro del JILA e del NIST (National Institute of Standards and Technology), e il suo gruppo di ricerca hanno compiuto un passo significativo nella comprensione delle complesse e collettive interazioni luce-atomo all'interno degli orologi atomici, gli orologi più precisi dell'universo.
Utilizzando un reticolo cubico, i ricercatori hanno misurato specifici spostamenti di energia all'interno della matrice di atomi di stronzio-87 dovuti alle interazioni dipolo-dipolo. Con un'alta densità di atomi, questi spostamenti di frequenza a livello di mHz, noti come spostamenti cooperativi di Lamb, sono stati studiati spettroscopicamente. Questi spostamenti sono stati studiati spazialmente e confrontati con i valori calcolati utilizzando tecniche di spettroscopia di imaging sviluppate in questo esperimento.
Questi spostamenti cooperativi di Lamb, chiamati così perché la presenza di molti atomi identici in uno spazio strettamente confinato modifica la struttura dei modi elettromagnetici attorno ad essi, sono un fattore importante poiché il numero di atomi negli orologi continua a crescere.
"Se riesci a comprendere e controllare queste interazioni ad alta densità in questa griglia, puoi sempre rendere la griglia sempre più grande", spiega William Milner, studente laureato della JILA, il secondo autore dell'articolo. "È una tecnologia intrinsecamente scalabile, importante per migliorare le prestazioni dell'orologio."
Gli orologi atomici, a lungo considerati l'apice della precisione, funzionano secondo il principio della misurazione della frequenza della luce assorbita o emessa dagli atomi. Ogni battito di questi orologi è governato dalle oscillazioni della sovrapposizione quantistica degli elettroni all'interno di questi atomi, stimolati dall'energia corrispondente proveniente da un laser di sonda. Il laser eccita gli atomi in uno stato quantistico noto come stato dell'orologio.
Mentre gli orologi a reticolo ottico più tradizionali utilizzano un reticolo ottico unidimensionale, sopprimendo i movimenti degli atomi solo lungo una direzione fortemente confinante, l’orologio quantistico a gas di stronzio utilizzato in questo studio ha confinato gli atomi in tutte le direzioni posizionandoli in una disposizione cubica. Sebbene l'utilizzo di un reticolo 3D sia una geometria interessante per l'orologio, richiede anche la preparazione di un gas quantico ultrafreddo di atomi e il loro accurato caricamento nel reticolo.
"È più complicato, ma presenta alcuni vantaggi unici poiché il sistema presenta più proprietà quantistiche", spiega Milner.
Nella fisica quantistica, la disposizione spaziale delle particelle influenza in modo critico il loro comportamento. Con la sua uniformità ed equilibrio, il reticolo cubico creava un ambiente controllato in cui le interazioni atomiche erano osservabili e manipolabili con una precisione senza precedenti.
Utilizzando il reticolo cubico, Ross Hutson (un neolaureato del JILA Ph.D.), Milner e gli altri ricercatori del laboratorio Ye, sono stati in grado di facilitare e misurare le interazioni dipolo-dipolo tra gli atomi di stronzio. Questi spostamenti, normalmente così piccoli da essere trascurati, derivano dall'interferenza collettiva tra gli atomi che si comportano come dipoli quando sono preparati in una sovrapposizione dei due stati orologio.
Poiché l'ordinamento spaziale degli atomi all'interno del reticolo cubico influenza l'accoppiamento dipolare, i ricercatori potrebbero amplificare o diminuire le interazioni dipolo manipolando l'angolo del laser dell'orologio rispetto al reticolo. Operando con un angolo speciale, l'angolo di Bragg, i ricercatori si aspettavano una forte interferenza costruttiva e hanno osservato uno spostamento di frequenza corrispondentemente maggiore.
Con interazioni dipolo-dipolo più forti che si verificano all'interno del reticolo, i ricercatori hanno scoperto che queste interazioni creavano spostamenti di energia locali in tutto il sistema dell'orologio.
Questi spostamenti di energia, o spostamenti cooperativi di Lamb, sono effetti molto piccoli che normalmente sono difficili da rilevare. Quando molti atomi sono raggruppati, come nel reticolo cubico di un orologio, questi spostamenti diventano un affare collettivo e vengono rivelati dalla precisione di misurazione dell’orologio appena raggiunta. Se non controllati, possono compromettere la precisione degli orologi atomici.
"Questi [cambiamenti furono] inizialmente proposti nel 2004 come una cosa futuristica di cui preoccuparsi [per la precisione dell'orologio]", aggiunge Milner. "Ora, improvvisamente diventano più rilevanti [quando aggiungi più atomi al reticolo]."
Come se misurare questi spostamenti non fosse abbastanza interessante, ancora più interessante è stato il fatto che i ricercatori hanno visto che gli spostamenti cooperativi di Lamb non erano uniformi in tutto il reticolo, ma variavano a seconda della posizione specifica di ciascun atomo.
Questa variazione locale è significativa per la misurazione dell'orologio:implica che la frequenza con cui oscillano gli atomi, e quindi il "ticchettio" dell'orologio, potrebbe differire leggermente da una parte all'altra del reticolo. Tale dipendenza spaziale dei turni cooperativi di Lamb è un importante cambiamento sistematico da comprendere mentre i ricercatori si sforzano di migliorare la precisione del cronometraggio.
"Misurando questi spostamenti e vedendoli allineati con i valori previsti, possiamo calibrare l'orologio per essere più precisi", afferma Milner.
Dalle misurazioni effettuate, il team si è reso conto che esisteva una stretta connessione tra gli spostamenti cooperativi di Lamb e la direzione di propagazione del laser della sonda dell'orologio all'interno del reticolo. Questa relazione ha permesso loro di trovare un angolo specifico in cui è stato osservato un "passaggio per lo zero" e il segno dello spostamento di frequenza è passato da positivo a negativo.
"È un particolare stato quantico che sperimenta uno spostamento collettivo pari a zero di Lamb (uguale sovrapposizione di stato fondamentale e stato eccitato)", spiega Lingfeng Yan, studente laureato della JILA. Giocare con la connessione tra l'angolo di propagazione del laser rispetto al reticolo cubico e gli spostamenti cooperativi di Lamb ha permesso ai ricercatori di mettere a punto ulteriormente l'orologio per essere più robusto contro questi spostamenti di energia.
Oltre a controllare e ridurre al minimo queste interazioni dipolo-dipolo nel reticolo cubico, i ricercatori della JILA sperano di utilizzare queste interazioni per esplorare la fisica a molti corpi nel loro sistema di orologi.
"C'è della fisica davvero interessante in corso perché ci sono questi dipoli interagenti", spiega Milner, "Quindi persone, come Ross Hutson, hanno idee per usare anche potenzialmente queste interazioni dipolo-dipolo per lo spin squeezing [un tipo di entanglement quantistico] per crea orologi ancora migliori."
Ulteriori informazioni: Ross B. Hutson et al, Osservazione degli spostamenti cooperativi di Lamb a livello di millihertz in un orologio atomico ottico, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adh4477
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