El reloj atómico de gas cuántico tridimensional (3-D) de JILA consiste en una rejilla de luz formada por tres pares de rayos láser. Se utilizan varios láseres de varios colores para enfriar los átomos, Atraparlos en una rejilla de luz, y probarlos para comprobar el funcionamiento del reloj. Un rayo láser azul excita una nube de átomos de estroncio en forma de cubo. Los átomos de estroncio presentan una fuerte fluorescencia cuando se excitan con luz azul, como se ve en la esquina superior derecha detrás de la ventana de aspiración. Crédito:G.E. Martí / JILA
Los físicos de JILA han creado un diseño completamente nuevo para un reloj atómico, en el que los átomos de estroncio se empaquetan en un pequeño cubo tridimensional (3-D) en 1, 000 veces la densidad de los relojes unidimensionales (1-D) anteriores. Al hacerlo, son los primeros en aprovechar el comportamiento ultracontrolado de un llamado "gas cuántico" para hacer un dispositivo de medición práctico.
Con tantos átomos completamente inmovilizados en su lugar, El reloj de gas cuántico cúbico de JILA establece un récord para un valor llamado "factor de calidad" y la precisión de medición resultante. Un gran factor de calidad se traduce en un alto nivel de sincronización entre los átomos y los láseres utilizados para sondearlos. y hace que los "tictac" del reloj sean puros y estables durante un tiempo inusualmente largo, logrando así una mayor precisión.
Hasta ahora, cada uno de los miles de átomos que hacen tictac en los relojes avanzados se comporta y se mide en gran medida de forma independiente. A diferencia de, El nuevo reloj de gas cuántico cúbico utiliza una colección de átomos que interactúan globalmente para limitar las colisiones y mejorar las mediciones. El nuevo enfoque promete marcar el comienzo de una era de mediciones y tecnologías dramáticamente mejoradas en muchas áreas basadas en sistemas cuánticos controlados.
El nuevo reloj se describe en la edición del 6 de octubre de Ciencias .
"Estamos entrando en un momento realmente emocionante en el que podemos realizar ingeniería cuántica de un estado de la materia para un propósito de medición particular, ", dijo el físico Jun Ye del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). Ye trabaja en JILA, que es operado conjuntamente por NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
La pieza central del reloj es un estado inusual de la materia llamado gas Fermi degenerado (un gas cuántico para las partículas de Fermi), creado por primera vez en 1999 por la difunta colega de Ye, Deborah Jin. Todos los relojes atómicos anteriores han utilizado gases térmicos. El uso de un gas cuántico permite cuantificar todas las propiedades de los átomos, o restringido a valores específicos, por primera vez.
"El potencial más importante del reloj de gas cuántico 3-D es la capacidad de escalar el número de átomos, lo que conducirá a una gran ganancia en estabilidad, "Vosotros dijiste". podríamos alcanzar la condición ideal de ejecutar el reloj con su tiempo de coherencia total, que se refiere a cuánto tiempo pueden permanecer estables una serie de tics. La capacidad de aumentar tanto el número de átomos como el tiempo de coherencia hará que este reloj de nueva generación sea cualitativamente diferente de la generación anterior ".
Hasta ahora, Los relojes atómicos han tratado a cada átomo como una partícula cuántica separada, y las interacciones entre los átomos plantearon problemas de medición. Pero una colección diseñada y controlada, un "sistema cuántico de muchos cuerpos, "ordena todos sus átomos en un patrón particular, o correlación, para crear el estado de energía general más bajo. Los átomos luego se evitan entre sí, independientemente de cuántos átomos se agreguen al reloj. El gas de los átomos se convierte efectivamente en un aislante, que bloquea las interacciones entre los constituyentes.
El resultado es un reloj atómico que puede superar a todos los predecesores. Por ejemplo, la estabilidad se puede considerar como la precisión con la que la duración de cada tick coincide con cualquier otro tick, que está directamente relacionado con la precisión de medición del reloj. En comparación con los relojes 1-D anteriores de Ye, El nuevo reloj de gas cuántico 3D puede alcanzar el mismo nivel de precisión más de 20 veces más rápido debido a la gran cantidad de átomos y los tiempos de coherencia más largos.
Un gas Fermi degenerado cuántico de átomos de Sr confinado en una red óptica tridimensional demuestra precisión de medición en el decimonoveno punto decimal para relojes atómicos. Crédito:El grupo Ye y Steve Burrows, JILA
Los datos experimentales muestran que el reloj de gas cuántico 3-D logró una precisión de solo 3,5 partes de error en 10 trillones (1 seguido de 19 ceros) en aproximadamente 2 horas. convirtiéndolo en el primer reloj atómico en alcanzar ese umbral (19 ceros). "Esto representa una mejora significativa con respecto a cualquier demostración anterior, "Vosotros dijiste.
El mas viejo, La versión 1-D del reloj JILA era, hasta ahora, el reloj más preciso del mundo. Este reloj contiene átomos de estroncio en una matriz lineal de trampas en forma de panqueque formadas por rayos láser, llamado celosía óptica. El nuevo reloj de gas cuántico 3-D utiliza láseres adicionales para atrapar átomos a lo largo de tres ejes para que los átomos se mantengan en una disposición cúbica. Este reloj puede mantener tics estables durante casi 10 segundos con 10, 000 átomos de estroncio atrapados a una densidad superior a los 10 billones de átomos por centímetro cúbico. En el futuro, el reloj puede sondear millones de átomos durante más de 100 segundos a la vez.
Relojes de celosía óptica, a pesar de sus altos niveles de rendimiento en 1-D, tener que lidiar con una compensación. La estabilidad del reloj podría mejorarse aún más aumentando el número de átomos, pero una mayor densidad de átomos también fomenta las colisiones, cambiando las frecuencias a las que los átomos hacen tictac y reduciendo la precisión del reloj. Los tiempos de coherencia también están limitados por colisiones. Aquí es donde pueden ayudar los beneficios de la correlación de muchos cuerpos.
El diseño de celosía 3-D (imagina una caja de huevos grande) elimina esa compensación al mantener los átomos en su lugar. Los átomos son fermiones, una clase de partículas que no pueden estar en el mismo estado cuántico y ubicación a la vez. Para un gas cuántico de Fermi en las condiciones de funcionamiento de este reloj, La mecánica cuántica favorece una configuración en la que cada sitio de red individual está ocupado por un solo átomo, lo que evita los cambios de frecuencia inducidos por interacciones atómicas en la versión 1-D del reloj.
Los investigadores de JILA utilizaron un láser ultraestable para lograr un nivel récord de sincronización entre los átomos y los láseres. alcanzando un factor de calidad récord de 5,2 billones (5,2 seguido de 15 ceros). El factor de calidad se refiere a cuánto tiempo puede persistir una oscilación o forma de onda sin disiparse. Los investigadores encontraron que las colisiones de átomos se redujeron de tal manera que su contribución a los cambios de frecuencia en el reloj fue mucho menor que en experimentos anteriores.
"Este nuevo reloj de estroncio que utiliza un gas cuántico es un éxito temprano y asombroso en la aplicación práctica de la 'nueva revolución cuántica, 'a veces llamado' cuántico 2.0 ', "dijo Thomas O'Brian, jefe de la División de Física Cuántica del NIST y supervisor de Ye. "Este enfoque es muy prometedor para que NIST y JILA aprovechen las correlaciones cuánticas para una amplia gama de medidas y nuevas tecnologías, mucho más allá del tiempo ".
Dependiendo de los objetivos y aplicaciones de la medición, Los investigadores de JILA pueden optimizar los parámetros del reloj, como la temperatura operativa (10 a 50 nanokelvins), número de átomo (10, 000 a 100, 000), y tamaño físico del cubo (20 a 60 micrómetros, o millonésimas de metro).
Los relojes atómicos llevan mucho tiempo avanzando en la frontera de la ciencia de la medición, no solo en el cronometraje y la navegación, sino también en las definiciones de otras unidades de medida y otras áreas de investigación, como en las búsquedas de sobremesa de la "materia oscura" que falta en el universo.
La Oficina Nacional de Normas, ahora NIST, inventó el primer reloj atómico en 1948.
