Разработени през 50-те години на миналия век, атомните часовници са най-точните устройства за измерване на времето до момента.
Екип от изследователи от Университета в Упсала в Швеция разработи още по-точно и иновативно устройство за измерване на времето. То може да измерва забавянето между два момента (с други думи, да измерва изминалото време), но без да брои изминалите секунди.
Атомните часовници разчитат на честотата на електромагнитното лъчение на електронния брояч. При преминаването му от едно енергийно ниво в друго той осигурява точността и последователността на генерирания от него осцилиращ сигнал. От 1967 г. насам секундата се определя като точния период на 9 192 631 770 трептения между хиперфините състояния на основното състояние на атома на цезий 133. Именно на тези часовници се основава атомното време.
Квантовият хронометър, за който става дума тук, може да измерва хода на времето, но не и да брои секунди. Това е напълно нов начин за измерване на времето. Устройството се основава на техника, наречена "помпа-сонда" (pump-probe), която използва много кратки лазерни импулси, за да направи възможно измерването на свръхбързи събития в материята. По-конкретно, кратък и интензивен лазерен импулс (помпа) се насочва към облак от атоми, като ги привежда в по-високи енергийни състояния; след това се използва втори слаб импулс (сонда), за да се измери ефектът от помпата.
"Пръстов отпечатък" на промените
Тези експерименти с pump-probe се използват широко в материалознанието, тъй като дават възможност да се наблюдават промени в даден материал на молекулярно ниво и да се получи информация за динамиката на разпадане на възбуждането, генерирано от лазерните импулси. Понякога обаче е трудно да се измери времето, изминало между помпата и сондата. Квантовият часовник, разработен от шведски екип, преодолява този проблем.
За да създадат този нов тип часовник, изследователите първо насочват лазерен лъч към облак от хелиеви атоми. След това атомите се намират в суперпозиция от квантови състояния (те съществуват на няколко енергийни нива едновременно); Изследователите говорят за кохерентна суперпозиция на състоянията на Ридберг. Тези енергийни нива си взаимодействат, създавайки интерференчен модел, който се променя във времето - както се вижда в известния експеримент на Юнг за двата процепа, при който два светлинни лъча от един и същи източник се пресичат и интерферират.
(а) Свръхкраткият XUV импулс, показан в лилаво, чиято централна енергия е близка до границата на йонизация, се използва за генериране на кохерентна суперпозиция на състоянията на Ридберг. След това много кратък NIR лазерен импулс, показан в червено, йонизира възбудения атом, произвеждайки фотоелектрони с кинетична енергия. (b) Симулация на квантови удари, които възникват изключително от интерференция между две енергийни състояния на хелия. (c) След XUV възбуждане вълновият пакет съдържа всички енергийни нива между n=10 и безкрайност. © M. Berholtz et al.
Изследователите измерват този брой интерференции за 1,7 пикосекунди и след това го сравняват с резултатите от симулациите на интерференцията; Те успяват да определят уникален период, в който статистиката съвпада, което им позволява да определят точно колко дълго хелиевите атоми остават в състояние на суперпозиция.
"Ние показваме, че осцилациите в резултат на съвкупност от силно възбудени ридбергови състояния се сливат при прага на йонизация, за да образуват уникален интерференчен модел, който не се повтаря през целия живот на ридберговия вълнови пакет. Наричаме тези осцилации Quasi-Single Beat Signatures (QUBS), тъй като те осигуряват пръстов отпечатък за това колко дълго е еволюирал вълновият пакет от създаването си", обясняват изследователите Research in physics.
Подход без измерване
За разлика от други часовници, като например механични, кварцови или атомни часовници, които работят чрез отчитане на броя на трептенията от точно определена честота, таймерът, базиран на QUBS, не използва брояч: той осигурява специфична времева сигнатура и следователно изисква само комуникация при отчитане на инициализацията на времето.
С други думи, не е необходимо да се измерва точно къде са поставени атомите в позицията на суперпозиция. Тъй като не е необходимо да се "стартира" часовникът, този метод е много прост - проверка на структурата на прекъсване и свеждане до минимум изминалото време.
Екипът отбелязва, че техният квантов часовник може да бъде пригоден за конкретен експеримент, тъй като има много възможности по отношение на образците и енергиите на фотоните.
"Ако трябва да се използват помпени импулси с ниска енергия на фотоните, вместо хелий могат да се използват инертни газове като Ne, Ar, Kr и Xe. Увеличаването на енергията на фотоните в помпения импулс също не е невъзможно", отбелязват авторите.
Този подход е особено полезен при експерименти, които изискват измерване на закъснението между два момента в малки системи, тъй като е по-точен. Изследователите могат да правят изключително бързи измервания на системи, които се променят с течение на времето, като например падането на молекула, квантовите взаимодействия между светлината и материята или излагането на обект на магнитно поле. От друга страна, той не може да се използва за измерване на времето по по-общ начин, подчертават експертите.
Справка: Quantum watch and its intrinsic proof of accuracy
Marta Berholts, Ronny Knut, Robert Stefanuik, Hampus Wikmark, Susmita Saha, and Johan Söderström
Phys. Rev. Research 4, 043041 – Published 18 October 2022; DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.043041
Източник: Researchers have developed an ultra-precise quantum chronometer
CARY DOUGLAS, THE PRESS STORIES
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари