Atominiai laikrodžiai

Primary tabs

Jungtinio laboratorinės astrofizikos instituto (JAV), trumpinamo JILA, mokslininkams pavyko sukonstruoti atominį laikrodį, kuriame atomai sugeba nesusidurti – paradoksaliai skambantis kvantinio pasaulio reiškinys pasiektas glausčiau išrikiuojant atomus. Šis gana netikėtas atradimas, aprašytas žurnale „Science Express“, gali pagerinti eksperimentinių atominių laikrodžių, sudarytų iš tūkstančių ar net dešimčių tūkstančių neutralių atomų, pagautų susikertant lazerio spinduliuotės pluoštams, veikimą.

JILA tyrėjai savo bandymus atliko su eksperimentiniu maždaug 4 tūkstančių stroncio atomų laikrodžiu. Užuot sudėlioję atomus į blyno pavidalo optines gaudykles (kaip ankstesniuose savo eksperimentuose), mokslininkai atomais užpildė tūkstančius horizontalių optinių vamzdelių. Gautas rezultatas maždaug dešimteriopai pranoko ankstesnįjį, nes atomų tarpusavio sąveika pasidarė tokia stipri, jog jie galiausiai nustojo trankęsi. Atomai, kurie paprastai linkę laisvai svyruoti apie savo pusiausvyros padėtis, buvo taip sutrikdyti, jog visas jų ansamblis veiksmingai sustingo erdvėje.

„Anksčiau atomai jausdavosi tarsi šokių aikštelėse, tačiau dabar jų judėjimo erdvė tapo itin apribota, todėl sąveikos energija iš karto išaugo“, – pasakoja grupės lyderis Junas Je (Jun Ye).

Kaip tiksliai didelė sąveikos energija, nusakoma laipsniu, kuriuo pakinta atomo elgesys dėl kitų atomų buvimo šalia, leidžia išvengti susidūrimų? Atsakymas yra visiškai logiškas kvantinio pasaulio rėmuose. Stroncio atomai priklauso dalelių klasei, kurios nariai vadinami fermionais. Jeigu jų energijos būsenos sutampa, jos negali tuo pačiu metu užimti tos pačios vietos erdvėje – kitaip tariant, negali susidurti. Paprastai lazerio spinduliuotės pluoštas, naudojamas atominiame laikrodyje, sąveikauja su atomais nevienodai, todėl atomų būsenos šiek tiek skiriasi, o tai jiems leidžia susidurti. Tačiau atomų, stangriai išrikiuotų optiniuose vamzdeliuose, sąveikos energija ima viršyti lazerio spinduliuotės sukeltus energijos poslinkius, todėl atomų būsenos supanašėja tiek, kad šie nebesusiduria. Šią idėją pasiūlė JILA instituto teoretikė Ana Marija Rei (Ana Maria Rey), o mintį eksperimentiškai patvirtino J. Je vadovaujama mokslininkų grupė.

Perpratę naująjį reiškinį, tyrėjai įsitikino, jog jų atominis laikrodis, sudarytas iš neutralių atomų, galės tikslumu varžytis su dabar pasaulyje lyderiaujančiais eksperimentiniais pavienių jonų įrenginiais. JILA institute sukurtas stroncio laikrodis šiuo metu yra nepralenkiamas savo klasėje, ir manoma, jog kartu su keliais kitais Nacionaliniame standartų ir technologijos institute sukonstruotais neutralių atomų ir jonų laikrodžiais, ateityje gali tapti tarptautiniu laiko standarto etalonu. Įrenginys veikia itin tiksliai matuodamas virpesius (laikrodyje atitinkančius „tiksėjimą“), pasireiškiančius tarp atomų energijos lygmenų.

Be to, kad atomai nesusiduria, mokslininkai dar išsiaiškino, jog kuo daugiau atomų panaudojama laikrodyje, tuo pasiekiamas geresnis rezultatas. „Didėjant atomų skaičiui kartu didėja ir matavimų tikslumas“, – džiaugiasi J. Je.

Tam, kad sudėliotų atomus į optinius vamzdelius, tyrėjai naudoja mėlynos ir raudonos spalvos lazerio spinduliuotę, kad pirmiausia atvėsintų stroncio atomus iki maždaug -273 oC temperatūros. Tuomet sukuriama vertikalioji šviesos bangų gardelė – tam panaudojant infraraudonosios spektro srities lazerio spinduliuotę, kuri apsupa ir sulaiko atomų debesėlį. Tada įjungiamas horizontalusis infraraudonosios spektro srities lazeris, susikirtimo vietose sus vertikaliąją spinduliuote suformuojantis optinius vamzdelius.

Facebook komentarai: