خلاصه خبر:
پژوهشگران موسسه JILA دانشگاه کلرادو، با همکاری دانشگاه Delaware، ساعت شبکه نوری (Optical lattice clock) با دقتی بی‌سابقه توسعه داده‌اند که به عدم قطعیت سیستماتیک کلی 19-^10 × 8.1 رسیده است. این دستاورد چشمگیر پایین‌ترین عدم قطعیت ثبت شده برای هر ساعتی تا به امروز است. این ساعت با استفاده از انتقال بسیار باریک 1S0 → 3P0 در اتم‌های استرانسیوم فرمیونی عمل می‌کند و از پیشرفت‌ها در همبستگی اتمی و کنترل تغییرات سیستماتیک بهره می‌برد. در این مطالعه که به تازگی در PRL پذیرش شده، بهبودهای کلیدی شامل اصلاحات دقیق برای تغییرات تابش جسم سیاه و اندازه‌گیری ضریب دوم زیمن است. این سطح از دقت نه تنها یک معیار جدید برای سنجش زمان ایجاد می‌کند، بلکه پتانسیل پیشرفت در زمینه‌های مختلفی مانند فیزیک بنیادی، ناوبری و ژئودزی را نیز دارد. توسعه‌های آینده هدف کاهش بیشتر عدم قطعیت از طریق عملیات کرایوژنیک را دنبال می‌کنند.
توضیحات تکمیلی:
در یک مطالعه پیشگامانه، پژوهشگران موسسه JILA به رهبری فیزیکدان و متخصص علوم کوانتومی و مترولوژی دقیق، Jun Ye، یک ساعت شبکه نوری فوق‌العاده دقیق توسعه داده‌اند. این نوآوری نه تنها دقت زمان‌سنجی را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد، بلکه راه‌های جدیدی برای بررسی پدیده‌های فیزیکی بنیادی و کاربردهای عملی باز می‌کند. ساعت‌های اتمی، مانند ساعت اتمی استرانسیوم در JILA، با استفاده از ارتعاشات اتم به عنوان استاندارد زمان‌سنجی عمل می‌کنند. این ساعت اتم‌های استرانسیوم را در یک شبکه نوری ایجاد شده توسط پرتوهای لیزری متقاطع به دام می‌اندازد، آنها را تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌کند و سپس فرکانس نور جذب شده توسط این اتم‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. این فرایند دقت بی‌سابقه‌ای را فراهم می‌کند، به طوری که زمان را با دقت یک صد کوادریلیونیوم ثانیه در فاصله‌ای میلی‌متری اندازه‌گیری می‌کند.
یکی از پیشرفت‌های کلیدی در این مطالعه کاهش تغییرات چگالی (density shift) است که خطاهای فرکانسی ناشی از تعامل بین اتم‌ها است. تیم JILA، روشی برای سرکوب این تغییرات با تراز کردن شبکه نوری با جهت جاذبه کشف کردند. این هم‌ترازی حالت‌های وانیر-استارک را ایجاد می‌کند که در آن توابع موج اتم‌ها تحت تأثیر اثر انرژی جاذبه قرار می‌گیرند، از تونل‌زنی جلوگیری می‌کنند و خطاهای ناشی از تعامل را کاهش می‌دهند. محاسبات نظری انجام شده، یک «عمق جادویی شبکه» را شناسایی کرد که در آن کمک‌های انواع مختلف برخوردهای اتمی یکدیگر را خنثی می‌کنند. این عمق جادویی به ساعت اجازه می‌دهد با کاهش خطاهای سیستماتیک، دقت بالاتری را به دست آورد. تأیید تجربی این نظریه یک تلاش همکاری بود که هماهنگی بین پیش‌بینی‌های نظری و پیاده‌سازی‌های عملی در فیزیک اتمی را نشان داد.
دقت پیشرفته ساعت شبکه نوری JILA پیامدهای عمیقی برای آزمون نظریه‌های بنیادی فیزیک دارد. با اندازه‌گیری انبساط زمان در فاصله‌های بسیار کوچک، این ساعت شواهد تجربی برای نظریه نسبیت عام اینشتین فراهم می‌کند. پژوهشگران توانستند اختلاف زمانی به اندازه‌ی فقط یک صد کوادریلیونیوم ثانیه را بین دو دسته اتم جدا شده توسط یک میلی‌متر مشاهده کنند که این اختلاف مینیاتوری پیش‌بینی اینشتین را که زمان در میدان‌های جاذبه قوی‌تر کندتر می‌گذرد، تأیید می‌کند.
منبع
https://journals.aps.org/prl/accepted/e507aY2aD051d39961373ce12d307658aae82b4d9
