Rekordowa stabilność kwantowa
Zespół badaczy z Joint Institute for Laboratory Astrophysics osiągnął niezwykłe parametry z nowym zegarem atomowym. Ich konstrukcja wykorzystująca atomy strontu uwięzione w optycznej siatce laserowej utrzymała spójność kwantową przez 118 sekund. To prawie dwie minuty, podczas których atomy zachowywały swoje oscylacje bez zakłóceń. Niestabilność tego urządzenia wynosi zaledwie 1,5×10^-18 w ciągu sekundy. Dla zobrazowania tej niewyobrażalnej precyzji: gdyby ten zegar działał od początku wszechświata, jego wskazania różniłyby się od rzeczywistego czasu o mniej niż jedną sekundę.
Czytaj też: Zagadka kwazikryształów rozwiązana po 40 latach. Naukowcy odkryli dlaczego niemożliwe istnieje
Nieustannie zwiększaliśmy wydajność optycznego zegara siatkowego. Dzięki dużej modernizacji w latach 2019-2021 zademonstrowaliśmy rekordową zdolność pomiaru różnicy częstotliwości, osiągając rozdzielczość przesunięcia grawitacyjnego poniżej skali 1 mm – wyjaśnia Kyungtae Kim, główny autor badania
Członkowie zespołu badawczego postawili na połączenie dwóch nowatorskich rozwiązań. Po pierwsze, zastosowano większą objętość pułapkowania z wnęką optyczną, co pozwoliło zmniejszyć gęstość atomową. Po drugie, siatkę optyczną wyrównano wzdłuż kierunku grawitacji, tworząc nachylony potencjał. Ta konfiguracja wykorzystuje efekt znany jako lokalizacja Wanniera-Starka, utrudniając atomom przemieszczanie się nawet przy płytszym pułapkowaniu. Głębokość pułapkowania w nowym zegarze stanowi zaledwie jedną piątą do jednej dziesiątej wartości typowej dla tradycyjnych konstrukcji.
Świadomość ograniczeń
Co ciekawe, naukowcy nie tylko pchnęli granice precyzji, lecz dodatkowo zrozumieli, co je ogranicza. Przy płytkich głębokościach siatki głównym problemem okazują się interakcje s-falowe między różnymi obszarami siatki. Przy głębszych konfiguracjach dominują natomiast interakcje z atomami obserwatorów, powstające gdy fotony rozpraszają atomy na inne stany.
Rozpoznanie tych odrębnych reżimów jasno określa, które mechanizmy należy uwzględnić, aby dalej wydłużyć czas koherencji – dodaje Kim
Mówiąc krótko: zamiast ślepo dążyć do poprawy parametrów, badacze najpierw identyfikują fundamentalne ograniczenia. Choć osiągnięcia robią wrażenie, wciąż stoimy przed wieloma wyzwaniami, zanim takie technologie trafią do szerszego zastosowania. Nowe możliwości obejmują testowanie stałości fundamentalnych stałych fizycznych w czasie oraz precyzyjne pomiary przesunięcia grawitacyjnego z rozdzielczością poniżej milimetra. Szczególnie obiecująca wydaje się perspektywa połączenia różnych technik pomiarowych. Takie połączenie mogłoby zrewolucjonizować precyzyjne pomiary geodezyjne i umożliwić nowe testy teorii względności.
Czytaj też: Nowa reprezentacja liczby pi z mechaniki kwantowej. Fizycy przypadkiem dokonali niezwykłego odkrycia
W praktyce oznaczałoby to możliwość jednoczesnego mierzenia lokalnego pola grawitacyjnego i efektów relatywistycznych z bezprecedensową dokładnością. Osiągnięcia zespołu JILA pokazują, że w dziedzinie precyzyjnego pomiaru czasu wciąż pozostaje przestrzeń do poprawy. Każdy kolejny krok, choć wymaga ogromnego wysiłku i zaawansowanej technologii, przybliża nas do lepszego zrozumienia fundamentalnych praw wszechświata. W świecie, w którym granice precyzji wciąż się przesuwają, takie osiągnięcia przypominają, jak wiele wciąż pozostaje do odkrycia.