새로운 종류의 원자 시계는 우주의 수명보다 천 배나 매끄럽게 틱할 수있는 능력을 갖추고있어 어느 때보 다 더 정밀합니다. 지금까지 최고의 계시원이었던 것 외에도 새로운 소위 양자 가스 시계는 언젠가 새로운 물리학에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.
JILA의 연구원 (이전 명칭 : 실험실 천체 물리학 연구소)은 스트론튬 원자와 레이저 빔의 조합을 사용하여 시계를 생성하여 그 어느 때보 다 작은 규모로 중력의 상호 작용을 측정 할 수 있습니다 . 그렇게하면서 수십 년 동안 물리학 자들을 당혹스럽게 만든 미스터리 인 다른 기본 세력과의 관계의 성격에 대해 밝힐 수있다.
원자 시계는 매우 정확한 메트로놈처럼 원자의 진동을 사용하여 시간을 측정합니다. 현재 원자 시계는 수백억 년에 걸쳐 초 단위로 꺼져 있습니다. 이 최신 반복은 약 900 억 년 동안 1 초만 중단 될 정도로 정확합니다.
이런 종류의 정확성을 얻기 위해 연구팀은 스트론튬 원자를 식히고 움직이지 않고 서로 충돌하는 것을 방지했다. 첫째, 그들은 레이저로 원자를 때렸습니다. 레이저의 광자에 부딪히면 원자는 에너지를 흡수하고 광자를 다시 방출하여 운동 에너지를 잃고 차가워집니다. 그러나 그것은 그것들을 충분히 식 히지 못했습니다. 따라서 더 차갑게하기 위해이 팀은 증발 냉각에 의존하여 일부 스트론튬 원자가 증발하고 더 많은 에너지를 받아 들일 수있게했습니다. 그것들은 절대 영도보다 섭씨 10도에서 60 억 분의 1도 또는 화씨 -459도 (섭씨 273도)의 온도에서 10,000에서 100,000 사이의 원자로 남겨졌습니다.
차가운 원자는 레이저의 3D 배열에 의해 포획되었다. 빔은 서로 간섭하도록 설정되었습니다. 그렇게하면서 포텐셜 우물 (potential wells)이라고하는 저에너지 및 고 에너지 영역을 만들었습니다. 우물은 쌓인 계란 상자처럼 작동하며 각 상자에는 스트론튬 원자가 들어 있습니다.
원자가 너무 차가워서 서로 상호 작용을 멈췄습니다. 일반 가스와 달리 원자가 무작위로 돌아 다니며 동료를 튀어 나온 것처럼, 냉각 된 원자는 여전히 정지되어 있습니다. 그런 다음 가스와의 거리가 고체 스트론튬에서 발견 된 것보다 훨씬 더 크더라도 가스와 같지 않고 고체와 같은 방식으로 작동하기 시작합니다.
국립 표준 기술 연구소의 물리학자인 준 예 (Jun Ye)는“그 관점에서 볼 때 매우 흥미로운 재료이며 이제는 고체 상태 인 것처럼 속성을 갖게된다”고 말했다. (JILA는 볼더의 NIST와 콜로라도 대학이 공동으로 운영합니다.)
이 시점에서 시계는 시간을 유지할 준비가되었습니다. 연구자들은 레이저로 원자를 때리고 스트론튬 핵을 도는 전자 중 하나를 자극합니다. 전자는 양자 역학의 법칙에 의해 지배되기 때문에, 일단 전자가 여기되면 어떤 에너지 레벨이 있는지 말할 수 없으며, 서로간에있을 확률이 있다고 말할 수 있습니다. 전자를 측정하기 위해 10 초 후에 원자에서 다른 레이저를 발사했습니다. 이 레이저는 레이저의 광자가 원자에 의해 다시 방출 될 때 전자가 핵 주위에 위치하는 지점과 그 기간 (10 초) 동안 진동하는 횟수를 측정합니다.
수천 개의 동일한 원자에 대한 측정을 평균하면 수천 개의 동일한 진자의 비트를 평균하는 것이 진자의주기가 무엇인지에 대한 더 정확한 아이디어를 제공하는 것처럼이 원자 시계의 정밀도를 얻는 것입니다.
지금까지 원자 시계는 3D 격자와 달리 원자의 단일 "스트링"만 가지고 있었기 때문에 이만큼 많은 측정을 할 수는 없다고 Ye는 말했다.
"시계를 비교하는 것과 같다"고 Ye는 말했다. "그 비유를 사용하여 원자의 레이저 펄스는 간섭 진동을 일으킨다. 10 초 후에 우리는 펄스를 다시 켜고 전자에게 '어디에 있니?'라고 묻습니다. 측정은 평균적으로 수천 개의 원자에 걸쳐 있습니다."
Ye는 전자를 그 사이에있는 상태로 유지하는 것이 어렵다고 말했다. 그리고 이것이 전자가 우연히 다른 것에 닿지 않도록 원자가 너무 차가워 야하는 또 다른 이유이다.
시계는 기본적으로 1 조 단위의 초를 측정 할 수 있습니다. 이 능력은 정말 훌륭한 계시원 이상을 만듭니다. 암흑 물질과 같은 현상을 찾는 데 도움이 될 수 있다고 Ye는 말했다. 예를 들어, 정확한 타이머를 사용하여 우주에서 실험을 설정하여 원자가 기존 이론이 예측하는 것과 다르게 행동하는지 확인할 수 있습니다.
이 연구는 10 월 6 일자 사이언스 지에 자세히 설명되어 있습니다.
