Сверхточные часы на основе сверхизлучения: новый уровень точности во времени

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

23 апреля 2024, 10:31

Время — неуловимая сущность, которую человечество пытается обуздать с незапамятных времён. От солнечных часов до атомных — путь познания этой фундаментальной величины был долгим и извилистым. Сегодняшние атомные часы, эталоны точности, кажется, достигли предела своих возможностей. Однако, как показывает новое исследование учёных из Копенгагенского университета, потенциал для совершенствования всё ещё есть, и ключ к нему лежит в удивительном квантовом явлении — сверхизлучении.

Автор: Designer

Современные атомные часы, подобно неутомимым метрономам, отсчитывают секунды, опираясь на колебания атомов. Лазерный луч, взаимодействуя с атомами стронция, заставляет их «пульсировать» с невероятной частотой — около миллиона миллиардов раз в секунду. Этот ритм и служит основой для определения точного времени. Однако даже эта, казалось бы, безупречная система имеет свои изъяны.

Проблема кроется в самом методе измерения. Лазер, используемый для считывания колебаний атомов, одновременно нагревает их, заставляя вылетать из ловушки, где происходит измерение. Это приводит к необходимости постоянной замены атомов, что, в свою очередь, вносит погрешность в измерение времени. Представьте себе часы, где каждую секунду нужно менять шестерёнки — точность такого механизма вызывает сомнения.

Именно здесь на сцену выходит сверхизлучение — явление, при котором группа атомов, находящихся в определённом состоянии, начинает коллективно излучать свет. Учёные из Копенгагена, подобно алхимикам, создали условия, в которых атомы стронция, попадая в специальную ловушку с зеркалами, начинают вести себя как единое целое. Они синхронизируют свои колебания и испускают мощный световой сигнал, который можно использовать для определения точного времени.

Диаграмма соответствующих уровней и экспериментальная схема. Мы охлаждаем и удерживаем атомы стронция в центре резонатора. Затем мы накачиваем атомы с лазерной отстройкой, δa, от перехода 1S0 ↔ 3P1, mj = 0 689 нм поперек оси резонатора и наблюдаем интенсивность излучаемого импульса с помощью детектирования биений локальным осциллятором.

Автор: Bohr, E.A., Kristensen, S.L., Hotter, C. et al. Collectively enhanced Ramsey readout by cavity sub- to superradiant transition. Nat Commun15, 1084 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45420-x (CC-BY 4.0) Источник: www.nature.com

Этот метод, в отличие от традиционного, практически не нагревает атомы, что позволяет избежать их постоянной замены. А значит, и точность измерений может быть существенно повышена.

(a) Схема последовательности опроса Рэмси, в которой используются два π/2-импульса, разделенные временем свободной эволюции T. Блоховские сферы под последовательностью показывают коллективный блоховский вектор в соответствующие моменты времени в последовательности, которые могут привести к SR-импульсу. Первый π/2-импульс приводит атомы к дробному возбуждению на 50%, и в этот момент возбуждение защищено от излучения полости в течение времени свободной эволюции. Второй π/2-импульс приводит к возбуждению выше или ниже 50 % в зависимости от накопленной фазы, δaT. При достижении положительной инверсии излучается SR-импульс, показанный как коллективный блоховский вектор, ускоренный вниз на конечной блоховской сфере, с пиком излучения, соответствующим величине положительной инверсии. Мы возбуждаем атомы с различной отстройкой лазера и обнаруживаем пиковое излучение SR вдоль оси резонатора. (b) Узкое сканирование вокруг центральной бахромы, выделенной красным цветом в рамке (c), сделанное с высоким разрешением. c Сканирование, сделанное по всей спектроскопической форме линий. Синие сплошные линии — результаты моделирования с общей измененной амплитудой. Каждая точка данных является средним значением десяти измерений, проведенных в разных циклах нагружения MOT. Планки ошибок указывают на стандартные отклонения от среднего значения.

Но зачем нам нужны такие сверхточные часы? Ведь, казалось бы, существующие атомные часы и так прекрасно справляются со своей задачей. Ответ кроется в том, что точное измерение времени — это не просто вопрос удобства, а основа для множества технологий, от которых зависит наша жизнь.

GPS-навигация, позволяющая нам ориентироваться в пространстве, для расчета нашего местоположения полагается на атомные часы на спутниках. Даже крошечная ошибка в измерении времени может привести к значительному отклонению в определении местоположения. Благодаря сверхизлучающим атомным часам точность GPS может достичь беспрецедентного уровня, открывая двери для новых приложений в навигации и позиционировании.

Космические миссии, уносящие человечество всё дальше в глубины Вселенной, нуждаются в ещё более точных измерениях времени для навигации и связи. Сверхизлучающие атомные часы могут стать незаменимым инструментом для будущих межпланетных путешествий.

И это ещё не всё. Точные измерения времени могут быть использованы для обнаружения изменений в гравитационном поле Земли, что позволит предсказывать землетрясения и извержения вулканов. Представьте себе систему раннего предупреждения, основанную на колебаниях атомов — это может спасти множество жизней.

Сверхизлучающие атомные часы — это не просто очередной шаг в совершенствовании технологии. Это новый взгляд на саму сущность времени, позволяющий нам приблизиться к пониманию этого загадочного феномена. Возможно, в будущем именно эти часы помогут нам разгадать тайны Вселенной, открывая новые горизонты для науки и технологий.