علوم آزمایشگاهی

ساعت اتمی فوق دقیق برای اکتشافات فیزیک جدید آماده شده است

طراحی آن به تیم اجازه می دهد تا امواج گرانشی را جستجو کند، تلاش برای کشف ماده تاریک و کشف فیزیک جدید داشته باشد.

MADISON، WI – فیزیکدانان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون (UW-Madison) یکی از ساعت‌های اتمی با بالاترین عملکرد را در مجله Nature اعلام کردند .

ابزار آنها که به عنوان ساعت اتمی شبکه نوری شناخته می شود، می تواند تفاوت های زمان را با دقتی معادل از دست دادن تنها یک ثانیه در هر 300 میلیارد سال اندازه گیری کند و اولین نمونه از یک ساعت نوری “چند پلکسی” است که در آن شش ساعت جداگانه می توانند در همان محیط طراحی آن به تیم اجازه می‌دهد تا راه‌هایی را برای جستجوی امواج گرانشی، تلاش برای شناسایی ماده تاریک و کشف فیزیک جدید با ساعت‌ها آزمایش کند.

Shimon Kolkowitz، استاد فیزیک UW-Madison و نویسنده ارشد این مطالعه، می‌گوید: «ساعت‌های شبکه نوری در حال حاضر بهترین ساعت‌های جهان هستند، و در اینجا ما به این سطح از عملکرد دست پیدا می‌کنیم که هیچ‌کس قبلاً ندیده است». “ما در حال کار برای بهبود عملکرد آنها و توسعه برنامه های کاربردی نوظهور هستیم که با این عملکرد بهبودیافته فعال می شوند.”

ساعت‌های اتمی بسیار دقیق هستند، زیرا از یک ویژگی اساسی اتم‌ها بهره می‌برند: وقتی الکترون سطوح انرژی را تغییر می‌دهد، نور را با فرکانس یکسان برای همه اتم‌های یک عنصر خاص جذب یا ساطع می‌کند. ساعت‌های اتمی نوری با استفاده از لیزری که دقیقاً مطابق با این فرکانس تنظیم شده است، زمان را نگه می‌دارند و برای نگه‌داشتن زمان دقیق به پیچیده‌ترین لیزرهای جهان نیاز دارند.

او می‌گوید در مقایسه، گروه کلکوویتز «لیزر نسبتاً ضعیفی» دارد، بنابراین آنها می‌دانستند که هر ساعتی که ساخته‌اند به تنهایی دقیق‌ترین یا دقیق‌ترین ساعت را نخواهد داشت. اما آنها همچنین می دانستند که بسیاری از کاربردهای پایین دست ساعت های نوری به لیزرهای قابل حمل و تجاری در دسترس مانند لیزر آنها نیاز دارند. طراحی ساعتی که بتواند از لیزرهای متوسط ​​استفاده کند، یک مزیت خواهد بود.

در مطالعه جدید خود، آنها یک ساعت چندگانه ایجاد کردند که در آن اتم‌های استرانسیم را می‌توان به ساعت‌های متعددی که در یک خط در یک محفظه خلاء مرتب شده‌اند، جدا کرد. این تیم تنها با استفاده از یک ساعت اتمی دریافتند که لیزر آنها به طور قابل اعتمادی قادر است الکترون‌هایی را در همان تعداد اتم برای یک دهم ثانیه تحریک کند.

با این حال، هنگامی که لیزر را به دو ساعت در محفظه به طور همزمان تابیدند و آنها را با هم مقایسه کردند، تعداد اتم‌های دارای الکترون برانگیخته بین دو ساعت تا 26 ثانیه ثابت ماند. نتایج آنها به این معنی بود که آنها می‌توانند آزمایش‌های معنی‌داری را برای مدت طولانی‌تر از زمانی که لیزرشان در یک ساعت نوری معمولی اجازه می‌دهد انجام دهند.

Kolkowitz می گوید: «به طور معمول، لیزر ما عملکرد این ساعت ها را محدود می کند. اما از آنجایی که ساعت‌ها در یک محیط قرار دارند و دقیقاً همان نور لیزر را تجربه می‌کنند، اثر لیزر کاملاً از بین می‌رود.» 

سپس گروه پرسیدند که چگونه می توانند تفاوت بین ساعت ها را به دقت اندازه گیری کنند. دو گروه از اتم‌ها که در محیط‌های کمی متفاوت هستند، بسته به گرانش، میدان‌های مغناطیسی یا شرایط دیگر، با نرخ‌های کمی متفاوت تیک می‌خورند.

آنها آزمایش خود را بیش از هزار بار انجام دادند و اختلاف فرکانس تیک تاک دو ساعت خود را در مجموع حدود سه ساعت اندازه گرفتند. همانطور که انتظار می رفت، چون ساعت ها در دو مکان کمی متفاوت بودند، تیک تاک کمی متفاوت بود. تیم نشان داد که با اندازه گیری های بیشتر و بیشتر، بهتر می توانند این تفاوت ها را اندازه گیری کنند.

در نهایت، محققان می‌توانند تفاوتی را در نرخ تیک تاک بین دو ساعت تشخیص دهند که مطابق با اختلاف آن‌ها با یکدیگر تنها یک ثانیه در هر 300 میلیارد سال است – اندازه‌گیری زمان‌سنجی دقیق که رکوردی جهانی برای دو ساعت از هم مجزای مکانی ایجاد می‌کند.

همچنین اگر برای مقاله دیگری که در همان شماره مجله نیچر منتشر نشده بود، این یک رکورد جهانی برای دقیق ترین تفاوت فرکانس بود . این مطالعه توسط گروهی در JILA، یک موسسه تحقیقاتی در کلرادو رهبری شد. گروه JILA یک تفاوت فرکانس بین بالا و پایین یک ابر پراکنده از اتم ها را حدود 10 برابر بهتر از گروه UW-Madison تشخیص داد.

نتایج آن‌ها که در فاصله یک میلی‌متری به دست آمده‌اند، همچنین نشان‌دهنده کوتاه‌ترین فاصله تا به امروز است که در آن نظریه نسبیت عام اینشتین با ساعت‌ها آزمایش شده است. گروه Kolkowitz انتظار دارد به زودی آزمایش مشابهی را انجام دهد.

Kolkowitz می‌گوید: «نکته شگفت‌انگیز این است که ما عملکردی مشابه با گروه JILA نشان دادیم، علی‌رغم این واقعیت که از لیزری با قدر بدتر استفاده می‌کنیم. این واقعاً برای بسیاری از برنامه‌های کاربردی در دنیای واقعی بسیار مهم است، جایی که لیزر ما بسیار شبیه چیزی است که شما می‌خواهید در میدان استفاده کنید.»

تیم کلکوویتز برای نشان دادن کاربردهای بالقوه ساعت های خود، تغییرات فرکانس را بین هر جفت شش ساعت چندگانه در یک حلقه مقایسه کرد. آنها دریافتند که وقتی به ساعت اول حلقه برمی‌گردند، تفاوت‌ها به صفر می‌رسد، که ثبات اندازه‌گیری‌های آنها را تأیید می‌کند و امکان تشخیص تغییرات فرکانس کوچک را در آن شبکه ایجاد می‌کند.

تصور کنید ابری از ماده تاریک از شبکه‌ای از ساعت‌ها عبور می‌کند – آیا راه‌هایی وجود دارد که بتوانم آن ماده تاریک را در این مقایسه‌ها ببینم؟ کلکوویتز می پرسد. این آزمایشی است که اکنون می‌توانیم انجام دهیم و در هیچ سیستم آزمایشی قبلی نمی‌توانستید انجام دهید.»

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه ویسکانسین-مدیسون منتشر شد

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.