Wissenschaftler enthüllen eine der leistungsstärksten Atomuhren aller Zeiten

Laut einem Berichtveröffentlicht in der ZeitschriftNatur am Mittwoch haben Physiker der University of Wisconsin-Madison einen der leistungsstärksten gemacht Atomuhren immer.

Ihre optische Gitter-Atomuhr, der nächste Schritt über Standard-Atomuhren hinaus, kann Zeitunterschiede mit einer Genauigkeit messen, die dem Verlust von nur einer Sekunde alle 300 Milliarden Jahre entspricht, und ist das erste Beispiel einer optischen Multiplex-Uhr. Sechs separate Uhren können in derselben Umgebung existiereneine gemultiplexte optische Uhr.

Das Team kann jetzt Versuch dunkle Materie nachzuweisen, mit Uhren tiefer in die Physik eintauchen und nach Gravitationswellen suchen.

"Optische Gitteruhren sind bereits die besten Uhren der Welt, und hier bekommen wir dieses Leistungsniveau, das noch niemand zuvor gesehen hat", sagt Shimon Kolkowitz, ein UW-Madison-Physikprofessor und leitender Autor der Studie. „Wir arbeiten daran, ihre Leistung zu verbessern und neue Anwendungen zu entwickeln, die durch diese verbesserte Leistung ermöglicht werden.“

Beachten von konsistenten Frequenzen

Eine Atomuhr nutzt die Resonanzfrequenzen von Atomen als Resonator. Laut Enzyklopädie Britannica, der Resonator wird „durch die Frequenz der elektromagnetischen Mikrowellenstrahlung reguliert, die durch den Quantenübergang Energieänderung eines Atoms oder Moleküls emittiert oder absorbiert wird.“ Atome schwingen bei gleichbleibenden Frequenzen mit, während die Schwingungsfrequenz eines Quarzkristalls in aQuarzuhr kann aufgrund von Fertigungstoleranzen variieren. Die gleichbleibenden Frequenzen in einem Cäsiumatom machen Atomuhren so genau.

Ultrapräzise Genauigkeit von Atomuhren, um die Uhrzeit anzuzeigen kürzlich von der US-Regierungsbehörde DARPA genutzt. Sie hatten das Programm Robust Optical Clock Network ROCkN angekündigt, das darauf abzielt, eine supergenaue optische Atomuhr zu bauen, die kompakt genug ist, um in ein Militärflugzeug oder ein Feldfahrzeug zu passen. Die optische Atomuhr, die genaueste Art von Atomuhr, ist so genau, dass es über die gesamte Existenz des Universums von mehr als 13 Milliarden Jahren keine Sekunde verloren hätte.

Optische Atomuhren halten die Zeit, indem sie einen Laser verwenden, der genau auf diese Frequenz abgestimmt ist. Um die genaue Zeit zu halten, sie benötigen einige der fortschrittlichsten Laser der Welt.

Die richtige Umgebung

Kolkowitz sagt, dass ihre Gruppe „ein relativ mieser Laser“ im Vergleich dazu. Sie waren sich daher bewusst, dass jede von ihnen gebaute Uhr für sich genommen nicht die genaueste oder präziseste wäre. Sie wussten auch, dass die nachfolgenden Anwendungen optischer Uhren tragbare, kommerziell erhältliche Laser wie ihren erfordern würden.

Ihre neue Studie sah eine Multiplex-Uhr, in der Strontiumatome kann in mehrere Uhren aufgeteilt werden, die in derselben Vakuumkammer in einer Reihe angeordnet sind. Mit nur einer Atomuhr stellte das Team fest, dass ihr Laser Elektronen in der gleichen Anzahl von Atomen nur für eine Zehntelsekunde zuverlässig anregen konnte.

Aber als sie den Laser gleichzeitig auf zwei Uhren in der Kammer richteten und sie verglichen, blieb die Anzahl der Atome mit angeregten Elektronen zwischen den beiden Uhren für bis zu 26 Sekunden gleich.

Ihre Ergebnisse waren der Beweis, dass sie wichtige Experimente viel länger durchführen konnten, als ihr Laser es in einer normalen optischen Uhr zulassen würde.

„Normalerweise würde unser Laser die Leistung dieser Uhren einschränken. Da sich die Uhren aber in derselben Umgebung befinden und exakt dasselbe Laserlicht erfahren, fällt die Wirkung des Lasers komplett aus“, sagt Kolkowitz.

Als nächstes wollte die Gruppe herausfinden, wie genau sie Unterschiede zwischen den Uhren messen könnte. Abhängig von der Schwerkraft, Magnetfelder und andere Bedingungen, zwei Atomgruppen in leicht unterschiedlichen Umgebungen ticken unterschiedlich schnell.

Das Experiment wurde über tausend Mal durchgeführt, wobei der Unterschied in der Tickerfrequenz ihrer beiden Uhren etwa drei Stunden lang gemessen wurde. Wie vorhergesehen, variierte das Ticken leicht, da sich die Uhren an zwei leicht unterschiedlichen Orten befanden. Als das Team mehr nahmund mehr Messungen, waren sie besser in der Lage, diese Unterschiede zu messen.

Schließlich konnten die Forscher einen Unterschied in der Tickrate zwischen den beiden Uhren feststellen, der alle 300 Milliarden Jahre nur um eine Sekunde mit den Unterschieden zusammenfiel – eine Messung von Präzisionszeitmessung das stellt einen Weltrekord für zwei räumlich getrennte Uhren auf.

Zeitintensiv, aber dringend notwendig

Das Ergebnis hätte leicht zu einem Weltrekord für die insgesamt präziseste Frequenzdifferenz werden können, wenn nicht eine andere Arbeit in derselben Ausgabe von Nature veröffentlicht worden wäre. Eine Gruppe bei JILA, ein Forschungsinstitut in Colorado, detektierte einen Frequenzunterschied zwischen der Ober- und Unterseite einer verteilten Atomwolke etwa 10-mal besser als die UW-Madison-Gruppe.

Erhalten bei einem Millimeter Abstand, die Ergebnisse bedeuten auch die bisher kürzeste Distanz, bei der Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie wurde mit Uhren getestet.

Die Gruppe von Kolkowitz erwartet, bald einen ähnlichen Test durchzuführen.

„Das Erstaunliche ist, dass wir eine ähnliche Leistung wie die JILA-Gruppe gezeigt haben, obwohl wir einen um Größenordnungen schlechteren Laser verwenden“, sagt Kolkowitz. „Das ist wirklich wichtig für viele reale Anwendungen, bei denen unser Lasersieht viel mehr aus wie das, was man aufs Feld mitnehmen würde.“

Um das Potenzial zu veranschaulichenAnwendungen ihrer Uhren, verglich das Team von Kolkowitz die Frequenzänderungen zwischen jedem Paar von sechs gemultiplexten Uhren in einer Schleife. Sie fanden heraus, dass sich die Unterschiede zu Null addieren, wenn sie zur ersten Uhr in der Schleife zurückkehren. Dies bestätigte die Konsistenz ihrer Messungen und stellte fest, dassMöglichkeit, dass sie winzige Frequenzänderungen innerhalb dieses Netzwerks erkennen könnten.

„Stellen Sie sich vor, eine Wolke aus dunkler Materie durchläuft ein Netzwerk von Uhren – gibt es Möglichkeiten, wie ich diese dunkle Materie in diesen Vergleichen sehen kann?“ fragt Kolkowitz. „Das ist ein Experiment, das wir jetzt durchführen können, an dem Sie einfach nicht teilnehmen konntenjedes frühere experimentelle System.“