Natuurkundigen hebben onlangs 's werelds meest nauwkeurige horloge aan het publiek onthuld, waarvan het unieke ontwerp is gebaseerd op de speciale organisatie van strontiumatomen in een driedimensionale ruimte. Het bleek dat dit apparaat niet alleen nuttig is voor het meten van tijd, maar ook voor het zoeken naar mysterieuze donkere materie in de diepten van de ruimte.
Wetenschappers van het JILA-laboratorium van Boulder aan de Universiteit van Colorado hebben een ongelooflijk nauwkeurige kwantumatoomklok ontwikkeld op basis van een unieke driedimensionale structuur. Het project zette letterlijk een nieuwe maatstaf voor kwaliteitsfactor - een maatstaf die de meetnauwkeurigheid kenmerkt. De klok vormt strontiumatomen tot een kubus, die 1000 keer dichter is dan de vorige eendimensionale klok. Voor het eerst stelt design wetenschappers in staat om met succes het zogenaamde "kwantumgas" voor dit doel te gebruiken.
Het meest nauwkeurige horloge ter wereld
Een atoomklok (ook wel kwantumklok of moleculaire klok genoemd) is een apparaat voor het meten van tijd, waarbij geen siliciummechanisme wordt gebruikt als een periodiek proces, maar trillingen die optreden op atomair en moleculair niveau. Volgens het internationale SI-systeem is 1 seconde bijvoorbeeld gelijk aan 9 192 631 770 perioden van elektromagnetische straling die voortkomen uit de overgang tussen twee hyperfijnniveaus van de grondtoestand van het cesium-133-atoom.
Vroeger werd elk atoom in een atoomklok beschouwd als een afzonderlijk deeltje, en daarom konden interacties tussen atomen onnauwkeurigheden in de uitgevoerde metingen veroorzaken. Het "kwantum-veel-lichamen-systeem" dat in het nieuwe project wordt gebruikt, organiseert atomen echter volgens een bepaald patroon, waardoor ze hun interactie kunnen blokkeren, ongeacht hoeveel atomen wetenschappers uiteindelijk in het apparaat introduceerden. Een toestand van materie die bekend staat als een gedegenereerd Fermi-gas (een gas dat bestaat uit Fermi-deeltjes) maakt het mogelijk dat alle atomen in het systeem worden gekwantificeerd.
"Het belangrijkste aspect van het potentieel van een kwantumgasklok is het vermogen om het aantal atomen te vergroten, wat resulteert in een enorme toename van de stabiliteit", legt natuurkundige Jun Yeh van het National Institute of Standards and Technology (NIST) uit, die aan het project werkte. Volgens hem gaat de mensheid "een werkelijk opwindend tijdperk binnen waarin we materie kunnen onderwerpen aan kwantumtechniek om specifieke grootheden te meten." In laboratoriumtests was de fout 3,5 x 10 quintillion - dit is de eerste atoomklok die zo'n indrukwekkende nauwkeurigheid bereikt.
Thomas O'Brien, hoofd kwantumfysica en projectleider van NIST, stelt dat "een strontiumklok die gebruikmaakt van een kwantumgas een treffend voorbeeld is van een" nieuwe kwantumrevolutie "-technologie, ook wel" kwantum 2.0 "genoemd. Hij is er ook van overtuigd dat een dergelijke benadering en de ontwikkeling van vergelijkbare technologieën in de toekomst het gebruik van kwantumcorrelaties mogelijk zullen maken voor een breed scala aan metingen en zelfs voor technologieën die geen verband houden met tijd.
Promotie video:
Tijd en ruimte
De atoomklok is bijvoorbeeld geweldig voor onderzoek naar het begrijpen van donkere materie. Onderzoekers hebben al gesuggereerd dat de studie van kleine fouten in de werking van atoomklokken niets meer zal volgen dan "zakken" met donkere materie in de ruimte. Eerdere studies hebben aangetoond dat een atoomkloksysteem en zelfs een dergelijk zeer gevoelig apparaat veranderingen in de trillingsfrequentie van atomen en laserstraling kan registreren als ze door een gebied met donkere materie gaan. Gezien het feit dat het nieuwe project veel stabieler en nauwkeuriger is dan zijn voorgangers, zal het ons misschien helpen een van de interessantste mysteries van het heelal te ontrafelen.
Vasily Makarov
