เป็นชนิดใหม่ของนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำมากขึ้นกว่าที่ใด ๆ ที่สร้างขึ้นด้วยความสามารถในการทำเครื่องหมายได้อย่างราบรื่นสำหรับพันครั้งอายุการใช้งานของจักรวาล นอกเหนือจากการเป็นผู้รักษาเวลาที่ดีที่สุดจนถึงปัจจุบันนาฬิกาควอนตัมแก๊สที่เรียกว่าใหม่วันหนึ่งอาจให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับฟิสิกส์ใหม่
นักวิจัยที่ JILA (ก่อนหน้านี้เรียกว่าสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์ร่วม) ใช้การรวมกันของอะตอมสตรอนเซียมและอาร์เรย์ของลำแสงเลเซอร์เพื่อสร้างนาฬิกาที่แม่นยำดังนั้นมันอาจจะสามารถวัดปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงในระดับที่เล็กกว่าที่เคยเป็นมา . ในการทำเช่นนั้นอาจทำให้เข้าใจลักษณะของความสัมพันธ์กับกองกำลังพื้นฐานอื่น ๆ ซึ่งเป็นปริศนาที่ทำให้นักฟิสิกส์งุนงงมานานหลายทศวรรษ
นาฬิกาอะตอมวัดเวลาโดยใช้การสั่นสะเทือนของอะตอมเช่นเครื่องเมตรอนอมที่แม่นยำมาก นาฬิกาอะตอมปัจจุบันจะปิดลงในไม่กี่วินาทีโดยใช้เวลานับหมื่นล้านปี การทำซ้ำครั้งล่าสุดนี้ยังคงแม่นยำพอที่จะปิดลงได้เพียง 1 วินาทีในเวลาประมาณ 90 พันล้านปี
เพื่อให้ได้ความแม่นยำอย่างนั้นทีมได้ทำการแช่อะตอมสตรอนเทียมเพื่อป้องกันไม่ให้พวกมันเคลื่อนที่ไปมาและชนเข้าด้วยกันซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถสั่นสะเทือนได้ ก่อนอื่นพวกเขายิงอะตอมด้วยเลเซอร์ เมื่อโดนโฟตอนในแสงเลเซอร์อะตอมจะดูดซับพลังงานและปล่อยโฟตอนออกมาอีกครั้งทำให้สูญเสียพลังงานจลน์และทำให้เย็นลง แต่นั่นก็ไม่ได้ทำให้พวกเขาเย็นพอ ดังนั้นเพื่อให้พวกเขาเย็นยิ่งขึ้นทีมพึ่งพาการทำความเย็นแบบระเหยทำให้อะตอมสตรอนเซียมบางส่วนระเหยและยอมรับพลังงานมากขึ้น พวกเขาถูกปล่อยให้อยู่ระหว่าง 10,000 ถึง 100,000 อะตอมที่อุณหภูมิเพียง 10 ถึง 60 พันล้านองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์หรือลบ 459 องศาฟาเรนไฮต์ (ลบ 273 องศาเซลเซียส)
อะตอมเย็นถูกดักด้วยการจัดเรียงแบบ 3 มิติของเลเซอร์ คานถูกตั้งค่าให้รบกวนซึ่งกันและกัน เมื่อพวกเขาทำเช่นนั้นพวกเขาสร้างภูมิภาคที่มีศักยภาพพลังงานต่ำและสูงเรียกว่าหลุมที่มีศักยภาพ หลุมทำหน้าที่เหมือนกล่องไข่ที่ซ้อนกันและแต่ละอันมีอะตอมสตรอนเซียม
อะตอมนั้นเย็นมากจนหยุดการปฏิสัมพันธ์ซึ่งแตกต่างจากก๊าซปกติซึ่งอะตอมกำลังวิ่งวนไปมาแบบสุ่มและกระดอนออกมาจากพวกมันอะตอมที่ระบายความร้อนยังคงค่อนข้างนิ่ง จากนั้นพวกเขาจะเริ่มทำงานในลักษณะที่ไม่เหมือนกับก๊าซและเหมือนของแข็งแม้ว่าระยะทางระหว่างพวกเขาจะใหญ่กว่าที่พบในสตรอนเทียมอย่างมาก
"จากมุมมองว่ามันเป็นวัสดุที่น่าสนใจมากตอนนี้มีคุณสมบัติเป็นถ้ามันเป็นของรัฐที่มั่นคง" หัวหน้าโครงการมิถุนายน Ye นักฟิสิกส์ที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีบอกวิทยาศาสตร์สด (JILA ดำเนินการร่วมกันโดย NIST และมหาวิทยาลัยโคโลราโดที่ Boulder)
เมื่อถึงจุดนี้นาฬิกาก็พร้อมที่จะเริ่มเวลา: นักวิจัยชนอะตอมด้วยเลเซอร์ซึ่งเป็นหนึ่งในอิเล็กตรอนที่น่าตื่นเต้นที่โคจรรอบนิวเคลียสสตรอนเซียม เนื่องจากอิเล็กตรอนถูกควบคุมโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัมเราไม่สามารถบอกได้ว่าระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในครั้งเดียวจะตื่นเต้นและสามารถบอกได้ว่ามันมีความน่าจะเป็นที่จะอยู่ในอย่างใดอย่างหนึ่ง ในการวัดอิเล็กตรอนหลังจากนั้น 10 วินาทีพวกมันก็ยิงเลเซอร์อีกตัวที่อะตอม เลเซอร์นั้นจะวัดที่อิเล็กตรอนตั้งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียสเนื่องจากโฟตอนจากเลเซอร์จะถูกปล่อยออกมาอีกครั้งโดยอะตอม - และกี่ครั้งที่มันสั่นในช่วงเวลานั้น (10 วินาที)
การวัดค่าเฉลี่ยของอะตอมนับพันนี้เป็นสิ่งที่ทำให้นาฬิกาอะตอมนี้มีความแม่นยำเช่นเดียวกับการเฉลี่ยค่าเฉลี่ยของจำนวนลูกตุ้มที่เหมือนกันนับพันจะให้ความคิดที่แม่นยำยิ่งขึ้นเกี่ยวกับช่วงเวลาของลูกตุ้มนั้น
จนถึงขณะนี้นาฬิกาอะตอมมีเพียง "สตริง" เดียวของอะตอมเมื่อเทียบกับตาข่ายสามมิติดังนั้นพวกเขาจึงไม่สามารถวัดได้มากเท่าที่เป็นอยู่นี้เย่กล่าว
“ มันเหมือนกับการเปรียบเทียบนาฬิกา” เย่พูด "เมื่อใช้การเปรียบเทียบนั้นเลเซอร์พัลส์บนอะตอมจะเริ่มการสั่นไหวที่ต่อเนื่องกันสิบวินาทีต่อมาเราจะเปิดพัลส์อีกครั้งแล้วถามอิเล็กตรอนว่า 'คุณอยู่ไหน?'" การวัดนั้นเฉลี่ยมากกว่าอะตอมหลายพันอะตอม
การรักษาอิเล็กตรอนให้อยู่ในสถานะที่อยู่ระหว่างนั้นเป็นเรื่องยากเจ้าพูดและนั่นก็เป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่อะตอมจะต้องเย็นจัดจนอิเล็กตรอนไม่ได้สัมผัสสิ่งอื่นโดยบังเอิญ
นาฬิกาสามารถวัดวินาทีลงไปที่ 1 ส่วนในล้านล้าน ความสามารถนี้ทำให้ได้มากกว่าผู้รักษาเวลาที่ดีจริงๆ มันอาจจะช่วยในการค้นหาปรากฏการณ์เช่นสารมืดเจ้ากล่าวว่า ตัวอย่างเช่นเราสามารถตั้งค่าการทดลองในอวกาศโดยใช้ตัวจับเวลาที่แม่นยำเพื่อดูว่าอะตอมทำตัวแตกต่างจากทฤษฎีทั่วไปหรือไม่
การศึกษามีรายละเอียดในวารสารวิทยาศาสตร์วันที่ 6 ต.ค.
