Оптические решётчатые часы — это новые устройства для измерения времени, основанные на десятках тысяч ультрахолодных атомов, удерживаемых в оптической решётке (то есть в сетке из лазерного света). Колебания между двумя различными квантовыми состояниями с определённой частотой позволяют этим атомам измерять время с гораздо более высокой точностью, чем у существующих часов, что крайне выгодно для изучения различных фундаментальных физических процессов и систем.
Исследователи из JILA, Национального института стандартов и технологий и Чикагского университета недавно разработали оптические часы на основе стронциевых атомов, которые демонстрируют поразительную точность и аккуратность. Новые стронциевые оптические часы, представленные в статье, опубликованной в Physical Review Letters, могут открыть новые возможности для исследований, направленных на проверку изменений фундаментальных физических констант и синхронизации конкретных физических явлений.
«Мы улучшали характеристики оптических решётчатых часов, — сказал Киунтаэ Ким, первый автор статьи, в интервью Phys.org. — Благодаря серьёзной модернизации с 2019 по 2021 год мы продемонстрировали рекордные возможности измерения дифференциальной частоты, достигнув разрешения гравитационного красного смещения ниже 1 мм, а также рекордной точности (до июля этого года) в качестве эталона частоты».
Когерентность — это время, в течение которого атомы могут сохранять свои квантовые колебания, не подвергаясь воздействию шума.
Ключевой целью недавней работы Кима и его коллег было выявление механизмов и физических процессов, ограничивающих атомную когерентность оптических решётчатых часов. Это, в свою очередь, позволило бы им улучшить атомную когерентность и стабильность своих часов.
«Чтобы улучшить стабильность измерения частоты, мы хотим, чтобы многие атомы уменьшали квантовый проекционный шум (аналогично уменьшению статистической неопределённости при подбрасывании монеты), — объяснил Ким. — Увеличение количества атомов также усиливает столкновительные сдвиги частоты и диффузию фазы, что, в свою очередь, ограничивает время когерентности и точность. Ключевой особенностью конструкции наших часов является большой объём захвата, достигаемый с помощью оптической полости, который снижает атомную плотность».
Ким и его коллеги выровняли оптическую решётку в своих часах по направлению силы тяжести, поскольку это создало наклонный потенциал решётки (то есть наклонную «лестницу» мест захвата). Благодаря эффекту, известному как локализация Ваней-Старка, этот наклонный потенциал решётки затрудняет перемещение атомов, даже когда они удерживаются в более мелких местах захвата.
В этих часах используется оптический потенциал захвата, составляющий примерно одну пятую — одну десятую от традиционного потенциала решётки.
Исследователи затем попытались выяснить, как долго различные количества атомов, удерживаемых в оптической решётке, оставались синхронизированными (то есть их время когерентности) и как быстро они выходили из «состояния часов» (то есть их скорость распада популяции). Для этого они использовали метод, известный как визуализирующая спектроскопия, который можно использовать для изучения того, как физические системы реагируют на свет, и зафиксировать их базовую конфигурацию или пространственные особенности на микроскопической карте.
«Атомы в пределах одного и того же места решётки ведут себя как идентичные фермионы и взаимодействуют только через p-волновые взаимодействия, — сказал Ким. — Однако атомы всё равно могут взаимодействовать через s-волновые столкновения из двух источников: взаимодействия между разными сайтами, поскольку атомы в разных сайтах испытывают разные лазерные фазы; и взаимодействия со зрительскими атомами, созданными при рассеянии фотонов решётки на атомы в другие состояния ядерного спина».
Было обнаружено, что стронциевые оптические решётчатые часы, разработанные этой группой исследователей, достигли рекордно высокого времени атомной когерентности (T₂*) в 118(9) секунд и атомной нестабильности 1,5×10–18 за 1 секунду. Эта система хронометража может быть использована для проведения будущих фундаментальных физических исследований, а также потенциально может быть использована для создания других высокоточных и стабильных оптических решётчатых часов.
«Мы также определили атомные взаимодействия, ограничивающие производительность, — сказал Ким. — При малой глубине решётки доминируют межсайтовые s-волновые взаимодействия, тогда как при большой глубине решётки основным ограничением становятся s-волновые взаимодействия со зрительскими атомами, генерируемыми при рассеянии фотонов решётки. Признание этих различных режимов проясняет, какие именно механизмы необходимо устранить для дальнейшего продления времени когерентности».
В своей статье Ким и его коллеги также выявили физические процессы, которые могут ограничивать время когерентности оптических решётчатых часов, одним из которых является взаимодействие между соседними узлами решётки. Сейчас они разрабатывают стратегию, которая может подавить эти эффекты и тем самым обеспечить ещё большее время когерентности в часах с высокой атомной плотностью.
«Что ещё более важно, мы воодушевлены перспективой объединения атомной интерферометрии (для гравиметрии) с атомными часами (для измерений красного смещения) на одной экспериментальной платформе, — добавил Ким. — Методы, продемонстрированные здесь, уже применялись в этом направлении и дают ценные указания для будущих разработок».