JILA fizikçileri, atomik bir saat için tamamen yeni bir tasarım yarattılar; burada stronsiyum atomları önceki bir boyutlu (1-D) saatlerin yoğunluğunun 1.000 katı küçük üç boyutlu (3-D) bir küp içine yerleştirildi. Bunu yaparken, pratik bir ölçüm cihazı yapmak için sözde “kuantum gazı”nın ultra-kontrollü davranışını ilk kullananlar bunlardır.
Yerinde tamamen hareketsiz kalan çok sayıda atomla JILA’nın kübik kuantum gaz saati, “kalite faktörü” adı verilen bir değer ve bunun sonucunda elde edilen ölçüm hassasiyetini kaydeder. Büyük bir kalite faktörü atomları ve onları sondalamak için kullanılan lazerler arasında yüksek seviyede bir senkronizasyona neden olur ve saatin “kenelerini” olağandışı uzun süre saf ve kararlı hale getirir ve böylece daha yüksek hassasiyet elde eder.
Şimdiye kadar, gelişmiş saatlerin davranışlarında binlerce “titreşen” atomun her biri büyük ölçüde bağımsız olarak ölçülür. Buna karşılık, yeni kübik kuantum gaz saati, çarpışmaları sınırlamak ve ölçümleri iyileştirmek için küresel olarak etkileşimli bir atom topluluğu kullanıyor. Yeni yaklaşım, kontrollü kuantum sistemlerine dayanan birçok alanda ölçüm ve teknolojilerin önemli ölçüde geliştirildiği bir döneme giriş yapmayı vaat ediyor.
Yeni saat Science’ın 6 Ekim tarihli sayısında açıklandı.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden (NIST) fizikçi Jun Ye şunları söyledi: “Özel bir ölçüm amacı için bir maddenin kuantum mühendisliğini yapabileceğimiz gerçekten heyecan verici bir döneme giriyoruz.” Ye, NIST ve Colorado Boulder Üniversitesi tarafından ortaklaşa işletilen JILA’da çalışıyor.
Saatin merkezinde, Ye’nin meslektaşı Deborah Jin tarafından 1999 yılında kurulan, dejenere bir Fermi gazı (Fermi parçacıkları için bir kuantum gazı) adı verilen olağandışı bir madde hali var. Tüm önceki atom saatlerinde termal gazlar kullanılmıştır. Bir kuantum gazı kullanımı, tüm atomların özelliklerinin ilk defa quantize edilmesini veya belirli değerlerle sınırlanmasını sağlar.
Ye şunları söyledi: “3 boyutlu kuantum gaz saatinin en önemli potansiyeli, atom numaralarını ölçekleme yeteneğidir ve bu da istikrarda büyük bir kazanç sağlayacaktır. Ayrıca, saati tam tutarlılık süresi ile çalıştırmanın ideal koşuluna erişebiliriz; bu, bir dizi doğrulamanın ne kadar süre istikrarlı kalabileceğini ifade eder. Hem atom numarasını hem de tutarlılık süresini ölçeklendirme yeteneği bu yeni nesil saati önceki nesilden niteliksel olarak farklı kılmaktadır.”
Şimdiye kadar, atom saatleri her atomu ayrı bir kuantum parçacığı olarak gördü ve atomlar arasındaki etkileşimler ölçüm problemleri yarattı. Ancak, “kuantum çok gövdeli bir sistem” olarak tasarlanmış ve kontrollü bir koleksiyon, en düşük genel enerji durumunu oluşturmak için tüm atomlarını belirli bir modelde veya korelasyonda düzenler. Atomlar daha sonra, kaç atomun saatin içine eklenmesine bakılmaksızın, birbirlerinden kaçınırlar. Atom gazı, kendisini, bileşenler arasındaki etkileşimleri bloke eden bir yalıtkan haline getirir.
Sonuç, tüm öncekilerden daha iyi performans gösterebilen bir atom saatidir. Örneğin, kararlılık, her bir işaretin süresinin, saatin ölçme hassaslığına doğrudan bağlı diğer her işaret ile eşleştiği kadar düşünülür. Ye’nin önceki 1-D saatleri ile karşılaştırıldığında, yeni 3-D kuantum gaz saati, çok sayıdaki atom ve daha uzun tutarlılık süreleri nedeniyle 20 kat daha hızlı hassasiyetle aynı seviyeye erişebilir.
Deneysel veriler, 3-D kuantum gaz saatinin yaklaşık 2 saat içinde 10 kentilyon (1 arkasında 19 sıfır), sadece 3.5 parça hata hassasiyeti sağladığını ve bu eşiğe (19 sıfır) ulaşan ilk atom saati olduğunu gösteriyor. Ye şunu söylüyor: “Bu, daha önceki herhangi bir gösteriye kıyasla belirgin bir iyileşme sağlıyor.”
JILA saatinin eski, 1-D sürümü şimdiye kadar dünyanın en hassas saatiydi. Bu saat, stronsiyum atomlarını, optik kafes olarak adlandırılan, lazer ışınları tarafından oluşturulan yassı biçimli tuzaklardan oluşan doğrusal bir dizi halinde tutmaktadır. Yeni 3 boyutlu kuantum gaz saati atomları üç eksen boyunca yakalamak için ek lazerler kullanıyor ve böylece atomlar kübik bir düzende tutuluyor. Bu saat, kübik santimetre başına 10 trilyon atomun üzerinde bir yoğunlukta sıkışmış 10,000 stronsiyum atomu ile yaklaşık 10 saniye boyunca sabit doğrulamaları koruyabilir. Gelecekte bir saat, bir anda milyonlarca atomu 100 saniyeden fazla araştırabiliyor olabilir.
Optik kafes saatler, 1-D’deki yüksek performans seviyelerine rağmen, zor bir dengelemeyle uğraşmak zorundalar. Saat istikrarı atom sayısını arttırarak daha da geliştirilebilir, ancak atomların daha yoğun bir şekilde yoğunlaşması aynı zamanda çarpışmaları da teşvik eder ve atomların doğrulama frekanslarını değiştirir ve saat doğruluğunu azaltır. Tutarlılık süreleri de çarpışmalarla sınırlandırılır. Çoklu gövde korelasyonunun yararları budur.
3 boyutlu kafes tasarımı – büyük bir yumurta kartonunu hayal edin – atomları yerinde tutarak bu dengesizliği ortadan kaldırır. Atomlar fermiyonlardır, aynı kuantum hali ve yerde olamayan bir sınıf parçacıklarıdır. Bu saatin çalışma koşulları altında bir Fermi kuantum gazı için, kuantum mekaniği, her bir kafes alanının yalnızca bir atom tarafından işgal edildiği ve bu da saatin 1-D sürümündeki atomik etkileşimler tarafından tetiklenen frekans kaymalarını önleyen bir konfigürasyonu destekliyor.
JILA araştırmacıları, atomlar ve lazerler arasında rekor bir senkronizasyon seviyesi elde etmek için ultra kararlı bir lazer kullandı ve 5.2 katrilyon (5.2 ve ardından 15 sıfır) rekor seviyede bir kaliteye ulaştı. Kalite faktörü, bir salınım veya dalga formunun ne kadar süreyle dağılabildiğini ifade eder. Araştırmacılar, atom çarpışmalarının, saatteki frekans kaymalarına olan katkısının önceki deneylerden çok daha az olduğu şekilde azaldığını buldu.
NIST Kuantum Fiziği Bölümü şefi ve Ye’nin danışmanı olan Thomas O’Brian şunları söyledi: “Bir kuantum gazı kullanan bu yeni stronsiyum saat, bazen ‘kuantum 2.0’, ‘kuantum 2.0’ olarak da adlandırılmakta olup yeni kuantum devriminin pratik uygulamasında erken ve şaşırtıcı bir başarı. Bu yaklaşım NIST ve JILA’nın zaman ölçümünün çok ötesinde, geniş bir yelpazede ölçümler ve yeni teknolojiler için kuantum korelasyonlarını kullanması amacıyla muazzam bir vaatte bulunuyor.”
Ölçüm hedeflerine ve uygulamalarına bağlı olarak JILA araştırmacıları, çalışma sıcaklığı (10 ila 50 nanokelvin), atom numarası (10,000 ila 100,000) ve kübün fiziksel boyutu (20 ila 60 mikrometre veya bir milyonuncu metre gibi) ile saatin parametrelerini optimize edebilirler.
Atomik saatler, yalnızca zaman işleyişi ve navigasyonda değil, aynı zamanda diğer ölçüm birimlerinin ve evrendeki eksik “karanlık maddenin” masa üstü aramalarında olduğu gibi diğer araştırma alanlarının tanımlarında ölçüm biliminin sınırını ilerletiyor.
Ulusal Standartlar Bürosu, şimdiki adı NIST, 1948’de ilk atom saatini icat etmişti.
Dergi Referansı: S. L. Campbell, R. B. Hutson, G. E. Marti, A. Goban, N. Darkwah Oppong, R. L. McNally, L. Sonderhouse, J. M. Robinson, W. Zhang, B. J. Bloom, J. Ye. A Fermi-degenerate three-dimensional optical lattice clock. Science, 2017; 358 (6359): 90 DOI: 10.1126/science.aam5538
Kaynak: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171005141828.htm
Çeviren: Bünyamin TAN