Satu jenis jam atom yang baru adalah lebih tepat daripada apa yang telah dibina, dengan keupayaan untuk melicinkan lancar untuk seribu kali sepanjang hayat alam semesta. Selain menjadi penjaga masa terbaik hingga kini, jam gas kuantum yang baru mungkin satu hari menawarkan pandangan ke dalam fizik baru.
Para penyelidik di JILA (dahulunya dikenali sebagai Institut Bersama Astrofizik Makmal) menggunakan gabungan atom strontium dan pelbagai rasuk laser untuk menghasilkan jam yang tepat sehingga dapat mengukur interaksi graviti pada skala yang lebih kecil daripada sebelumnya . Dengan berbuat demikian, ia mungkin memberi gambaran tentang sifat hubungannya dengan kuasa asas yang lain, sebuah misteri yang telah membingungkan fizik selama beberapa dekad.
Masa atom mengukur masa dengan menggunakan getaran atom seperti metronom yang sangat tepat. Jam atom semasa dimatikan selama beberapa puluhan bilion tahun. Perulangan terbaru ini tetap cukup tepat bahawa ia akan dimakan oleh hanya 1 saat lebih kurang 90 bilion tahun.
Untuk mendapatkan kepersisan semacam itu, pasukan itu menyejukkan atom strontium agar tidak bergerak dan menabrak satu sama lain - sesuatu yang boleh melenyapkan getaran mereka. Pertama, mereka memukul atom dengan laser. Apabila terkena foton di laser, atom menyerap tenaga mereka dan memancarkan semula foton, kehilangan tenaga kinetik dan menjadi lebih sejuk. Tetapi itu tidak menyejukkan mereka. Oleh itu, untuk mendapatkannya lebih sejuk, pasukan itu bergantung pada penyejatan penyejatnya, membolehkan beberapa atom strontium menguap dan menerima lebih banyak tenaga. Mereka ditinggalkan di antara 10,000 dan 100,000 atom, pada suhu hanya 10 hingga 60 bilion darjah di atas sifar mutlak, atau tolak 459 darjah Fahrenheit (tolak 273 darjah Celsius).
Atom sejuk terperangkap dengan susunan 3D laser. Rasuk telah ditubuhkan untuk mengganggu satu sama lain. Seperti yang mereka lakukan, mereka mewujudkan kawasan yang berpotensi tinggi dan berpotensi tinggi, yang dikenali sebagai telaga berpotensi. Telaga itu bertindak seperti karton telur yang ditumpuk, dan masing-masing memegang atom strontium.
Atom begitu sejuk sehingga mereka berhenti berinteraksi antara satu sama lain - tidak seperti gas biasa, di mana atom-atom berlari secara rawak dan memantul rakan-rakan mereka, atom-atom yang menyejukkan itu masih tetap diam. Mereka kemudiannya bertindak dengan cara yang kurang seperti gas dan lebih seperti pepejal, walaupun jarak di antara mereka jauh lebih besar daripada apa yang terdapat dalam strontium padat.
"Dari sudut pandangan itu, ia adalah bahan yang sangat menarik, ia kini mempunyai sifat seolah-olah ia adalah keadaan yang kukuh," pemimpin projek Jun Ye, seorang ahli fizik di Institut Kebangsaan dan Teknologi Kebangsaan, memberitahu Live Science. (JILA dikendalikan bersama oleh NIST dan University of Colorado di Boulder.)
Pada ketika ini, jam sudah bersedia untuk memulakan masa: Para penyelidik memukul atom dengan laser, satu elektron menarik yang mengorbit nukleus strontium. Kerana elektron ditadbir oleh undang-undang mekanik kuantum, seseorang tidak boleh mengatakan apa tahap tenaga elektron dalam sekali ia teruja, dan hanya boleh mengatakan bahawa ia mempunyai kebarangkalian berada dalam satu atau lain. Untuk mengukur elektron, selepas 10 saat, mereka menembak laser lain di atom. Itu laser mengukur di mana elektron terletak di sekitar nukleus, sebagai foton dari laser akan dipancarkan semula oleh atom - dan berapa kali ia berayun dalam tempoh itu (10 saat).
Rata-rata pengukuran ini beribu-ribu atom adalah apa yang memberikan ketepatan jam atom ini, sama seperti rata-rata rentetan beribu-ribu pendulum yang sama akan memberikan satu gambaran yang lebih tepat tentang apa yang perlu dilakukan pendulum itu.
Sehingga kini, jam atom hanya mempunyai satu "rentetan" atom yang bertentangan dengan kisi 3D, jadi mereka tidak boleh mengambil banyak ukuran seperti ini, kata Ye.
"Ia seperti membandingkan jam tangan," kata Ye. "Dengan menggunakan analogi itu, denyut nadi laser pada atom akan menghasilkan ayunan yang koheren. Sepuluh saat kemudian, kita menghidupkan semula nadi itu dan bertanya kepada elektron, 'Di mana kamu?'" Pengukuran itu rata-rata beribu-ribu atom.
Mengekalkan elektron di dalam keadaan di antara keadaan adalah sukar, Ye berkata, dan itulah alasan lain atom perlu menjadi sejuk, supaya elektron tidak sengaja menyentuh apa-apa lagi.
Jam pada dasarnya boleh mengukur detik hingga 1 bahagian dalam trilion. Keupayaan ini menjadikan lebih daripada pengawas masa yang sangat baik; ia mungkin membantu mencari fenomena seperti perkara gelap, Ye berkata. Contohnya, seseorang boleh membuat eksperimen di ruang menggunakan pemasa yang tepat untuk melihat sama ada atom bertindak berbeza daripada teori ramalan konvensional.
Kajian ini terperinci dalam edisi Okt. 6 jurnal Sains.
