Los físicos de JILA han demostrado un novedoso diseño de reloj atómico que combina un funcionamiento casi continuo con señales fuertes y alta estabilidad. características que antes no se encontraban juntas en un solo tipo de reloj atómico de próxima generación. El nuevo reloj que utiliza "pinzas" láser para atrapar, controlar y aislar los átomos, también ofrece posibilidades únicas para mejorar el rendimiento del reloj utilizando los trucos de la física cuántica.

Descrito en un artículo que será publicado en línea el 12 de septiembre por la revista. Ciencias , la nueva plataforma de reloj es una matriz de hasta 10 átomos de estroncio confinados individualmente por 10 pinzas ópticas, que son creados por un rayo láser infrarrojo dirigido a través de un microscopio y desviado en 10 puntos.

JILA es un instituto conjunto de investigación y capacitación operado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder.

Si bien los investigadores de JILA aún tienen que evaluar completamente el rendimiento del nuevo reloj, los datos preliminares sugieren que el diseño es prometedor. El reloj de las pinzas está "de servicio" y se autoverifica su rendimiento el 96% del tiempo porque necesita poco tiempo de inactividad para preparar nuevos átomos. y los átomos están bien aislados, por lo que es menos probable que interfieran entre sí. Ambas fortalezas se comparten con uno de los relojes líderes en el mundo, un reloj basado en un solo ion (átomo cargado eléctricamente). El reloj de pinza también puede proporcionar las señales fuertes y la estabilidad de un reloj de celosía de múltiples átomos, que atrapa átomos en una rejilla de luz láser.

"La promesa a largo plazo del diseño de las pinzas como reloj competitivo se basa en su equilibrio único de estas capacidades, ", Dijo el físico y líder del proyecto de JILA / NIST, Adam Kaufman.

Los relojes atómicos de última generación estabilizan el color, o frecuencia, de un láser a los átomos que "hacen tic-tac" entre dos niveles de energía. El reloj de pinza atrapa y controla los átomos individualmente para mantener la estabilidad del tictac y detecta este comportamiento sin perderlos. y así puede reutilizar los mismos átomos muchas veces sin necesidad de recargar constantemente nuevos.

"El diseño de las pinzas aborda varios problemas con otros relojes atómicos, "Dijo Kaufman." Usando nuestra técnica, podemos retener átomos y reutilizarlos hasta por 16 segundos, lo que mejora el ciclo de trabajo (la fracción de tiempo empleada en el tictac de los átomos para corregir la frecuencia del láser) y la precisión. El reloj de pinza también puede llevar un solo átomo muy rápidamente a un sitio de trampa, lo que significa que hay menos interferencia y se obtiene una señal más estable durante más tiempo ".

Los investigadores de NIST y JILA han estado construyendo relojes atómicos de próxima generación durante muchos años. Estos relojes funcionan a frecuencias ópticas, que son mucho más altos que los estándares de tiempo actuales basados ​​en frecuencias de microondas. La investigación está ayudando a prepararse para la futura redefinición internacional del segundo, que se ha basado en el átomo de cesio desde 1967. Los relojes ópticos también tienen aplicaciones más allá del cronometraje, como medir la forma de la Tierra basándose en mediciones de gravedad (llamadas geodesia), buscando la elusiva materia oscura que se cree que constituye la mayor parte de la materia en el universo, y mejora de las ciencias de la información cuántica.

Para crear el reloj de pinzas, Se apunta un rayo láser infrarrojo a un microscopio y se enfoca a un punto pequeño. Las ondas de radio a 10 frecuencias diferentes se aplican secuencialmente a un deflector especial para crear 10 puntos de luz para atrapar átomos individuales. Las trampas se rellenan cada pocos segundos a partir de una nube de átomos preenfriados superpuestos con la luz de las pinzas.

Los átomos sostenidos por las pinzas son excitados por un láser estabilizado por una cavidad de cristal de silicio, en el que la luz rebota hacia adelante y hacia atrás a una frecuencia específica. Esta luz de "reloj láser", proporcionada por el coautor y el laboratorio de NIST / JILA Fellow Jun Ye, se aplica perpendicular a la luz de las pinzas, junto con un campo magnético aplicado. Las imágenes no destructivas revelan si los átomos funcionan correctamente; los átomos solo emiten luz, o fluorescen, cuando está en el estado de menor energía.

Demasiados átomos en el sistema pueden provocar colisiones que desestabilicen el reloj, así que para deshacerse de los átomos adicionales, los investigadores aplican un pulso de luz para crear moléculas débilmente unidas, que luego se rompen y escapan de la trampa. Los sitios de las pinzas quedan vacíos o con un átomo; con cada ejecución del experimento, cada pinza tiene aproximadamente un 50% de probabilidad de estar vacía o contener un solo átomo. Tener como máximo un átomo por sitio mantiene el tic-tac estable durante períodos de tiempo más largos.

Como pinzas de metal ordinarias, las pinzas láser ofrecen un control preciso, lo que permite a los investigadores variar el espacio entre átomos y modificar sus propiedades cuánticas. Kaufman ha utilizado previamente pinzas ópticas para "entrelazar" dos átomos, un fenómeno cuántico que vincula sus propiedades incluso a distancia. Las pinzas se utilizan para excitar los átomos de modo que sus electrones se unan más débilmente al núcleo. Este estado "esponjoso" hace que sea más fácil atrapar los átomos en estados magnéticos internos opuestos llamados girar hacia arriba y hacia abajo. Luego, un proceso llamado intercambio de espines entrelaza los átomos. Los estados cuánticos especiales como el entrelazamiento pueden mejorar la sensibilidad de la medición y, por lo tanto, pueden mejorar la precisión del reloj.

El equipo de investigación ahora planea construir un reloj más grande y evaluar formalmente su desempeño. Específicamente, los investigadores planean usar más pinzas y átomos, con un objetivo de unos 150 átomos. Kaufman también planea agregar enredo, que podría mejorar la sensibilidad y el rendimiento del reloj y, en una solicitud separada, quizás proporcione una nueva plataforma para la computación cuántica y la simulación.