Zegar atomowy tego typu wykorzystuje niezwykle stabilne wiązki laserowe do monitorowania częstotliwości rezonansowej atomów. Na obecnym poziomie rozwoju technologia ta jest na tyle precyzyjna, że na całej przestrzeni historii wszechświata, czyli niemal czternastu miliardów lat, optyczny zegar atomowy spóźniłby się o mniej niż jedną sekundę. Taki poziom precyzji sprawia, że być może faktycznie uda się je wykorzystać do poszukiwania ciemnej materii.
Jak wysłać zegar atomowy w przestrzeń kosmiczną?
Jeszcze kilka lat temu nie dałoby się tego zrobić z jednego prostego powodu: optyczny zegar atomowy składający się z szeregu instrumentów takich jak lasery, obwody elektroniczne i systemy chłodzące zajmowały całkiem sporo miejsca, nierzadko całe pomieszczenia. Tak dużego sprzętu nie da się załadować na szczyt rakiety i po prostu wysłać w przestrzeń kosmiczną. Inżynierowie z amerykańskiego Departamentu Energii postanowili zatem sprawdzić, czy istnieje możliwość zmniejszenia wymiarów poszczególnych komponentów zegara atomowego na tyle, aby można go było wysłać w przestrzeń kosmiczną.
Czytaj także: Wszechświat może mieć swój fundamentalny zegar. Tyka ekstremalnie szybko
Teraz, po blisko dwóch latach pracy, naukowcy są już na dobrej drodze do stworzenia optycznego zegara atomowego o wielkości pudełka po butach. Inżynierowie z Fermilab stworzyli już obwody elektroniczne niezbędne do kontrolowania napięcia w urządzeniu. Specjaliści z MIT natomiast opracowali małe pułapki na jony oraz niezbędne do ich obsługi obwody fotoniczne. Teraz pozostaje jeszcze stworzyć odpowiedni elektroniczny układ kontrolujący cały zegar. Tego zadania podjęli się specjaliści z laboratorium FermiLab. Do właściwego działania niezbędny jest układ zdolny kontrolować napięcia min. 20 V. Jak na razie udało się stworzyć chip kontrolujący napięcia rzędu 9 V, który nie zaburza stanu kwantowego monitorowanego jonu. To duży krok naprzód, aczkolwiek potrzeba jeszcze trochę pracy, aby osiągnąć wymagane 20 V.
Poszukiwanie ciemnej materii za pomocą zegarów atomowych
W budowanym zegarze atomowym czujnikiem ma być pułapka na jony, w tym przypadku na jon strontu uwięziony w silnym polu elektrycznym. Wiązka laserowa działająca jako oscylator mierzy częstotliwość przejść między dwoma skwantyfikowanymi poziomami energetycznymi jonu.
Astronomowie uważają obecnie, że ultralekkie cząstki ciemnej materii mogą wywoływać oscylacje mas elektronów. Gdyby zatem wysłać w przestrzeń kosmiczną grupę zegarów atomowych, to podczas ich przelotu przez zagęszczenie ciemnej materii, ciemna materia mogłaby zmienić (zwiększyć lub zmniejszyć) poziom energii mierzony przez każdy z zegarów, a tym samym wpłynąć na częstotliwość oscylacji. Podróżujące ze sobą zegary uległyby desynchronizacji podczas przelotu przez ciemną materię, a następnie ponownej synchronizacji.
Sam pomysł nie jest nowy. Tego typu pomiary wykonywano już za pomocą satelitów GPS. Problem w tym, że znajdujące się na ich pokładach zegary atomowe (oparte na innej technologii) nie były w stanie znaleźć dowodów na istnienie ciemnej materii. Optyczne zegary atomowe charakteryzują się jednak wyższą czułością, co oznacza, że mają one wciąż szanse na dokonanie przełomowego odkrycia.
Naukowcy wskazują, że choć głównym motywatorem ich działań jest stworzenie zegara atomowego do poszukiwania ciemnej materii, to opracowany przez nich wynalazek może także w przyszłości znaleźć zastosowanie w instrumentach prognozujących wystąpienie tsunami, czy trzęsień ziemi, a nawet w komputerach kwantowych.