En ny type atomur er mere præcis end nogensinde bygget, med evnen til at krydse glat tusind gange universets levetid. Ud over at være den bedste tidtager til dato, kan det nye såkaldte kvantegas ur en dag tilbyde indsigt i ny fysik.
Forskere ved JILA (tidligere også omtalt som Joint Institute for Laboratory Astrophysics) brugte en kombination af strontiumatomer og en række laserstråler for at skabe et ur så præcist, at det måske kunne måle interaktion af tyngdekraften i mindre skalaer end nogensinde før . Dermed kan det kaste lys over arten af dets forhold til andre grundlæggende kræfter, et mysterium, der har forvirret fysikere i årtier.
Atomure måler tid ved at bruge vibrationer i atomer som en meget præcis metronom. Nuværende atomur er slukket med sekunder over titusinder af milliarder af år. Denne nyeste iteration forbliver præcis nok til, at den kun er slukket med 1 sekund i løbet af cirka 90 milliarder år.
For at få den slags præcision afkølede teamet strontiumatomer for at forhindre dem i at bevæge sig rundt og støde på hinanden - noget der kan smide deres vibrationer væk. Først ramte de atomerne med lasere. Når de blev ramt af fotonerne i laserne, optog atomerne deres energi og udsendte en foton igen, mistede kinetisk energi og blev koldere. Men det afkølede dem ikke nok. Så for at få dem endnu koldere, stole teamet på fordampningskøling, hvilket tillader nogle af strontiumatomerne at fordampe og acceptere endnu mere energi. De sad med mellem 10.000 og 100.000 atomer ved en temperatur på kun 10 til 60 milliarddele af en grad over absolut nul, eller minus 459 grader Fahrenheit (minus 273 grader Celsius).
De kolde atomer blev fanget af et 3D arrangement af lasere. Bjælkerne blev sat op for at forstyrre hinanden. Da de gjorde det, skabte de regioner med lav og høj potentiel energi, kaldet potentielle brønde. Brøndene fungerer som stablede ægkartoner, og hver har et strontiumatom.
Atomerne blev så kolde, at de stoppede med at interagere med hinanden - i modsætning til en normal gas, hvor atomer løber tilfældigt rundt og spretter deres stipendiater, forbliver sådanne afkølede atomer ret stille. De begynder derefter at opføre sig på en måde, der er mindre som en gas og mere som et fast stof, selvom afstanden mellem dem er meget større end hvad der findes i fast strontium.
"Fra det synspunkt er det et meget interessant materiale; det har nu egenskaber, som om det er en solid tilstand," fortalte projektleder Jun Ye, en fysiker ved National Institute of Standards and Technology, til Live Science. (JILA drives i fællesskab af NIST og University of Colorado i Boulder.)
På dette tidspunkt var uret klar til at begynde at holde tid: Forskerne ramte atomerne med en laser, hvilket spændte en af elektronerne, der kredsede rundt om strontiumets kerne. Fordi elektroner styres af kvantemekanikens love, kan man ikke sige, hvilket energiniveau elektronet er i, når det er spændt, og kan kun sige, at det har en sandsynlighed for at være i et eller andet. For at måle elektronet fyrede de efter 10 sekunder en anden laser på atomet. Denne laser måler hvor elektronet er placeret omkring kernen, når en foton fra laseren bliver genudsendt af atomet - og hvor mange gange den svingede i den periode (de 10 sekunder).
Gennemsnittet af denne måling over tusinder af atomer er det, der giver dette atomur dets præcision, ligesom gennemsnittet af slagene af tusinder af identiske pendler vil give en en mere præcis idé om, hvad perioden af den pendul skal være.
Indtil nu havde atomur kun enkelte "strenge" atomer i modsætning til et 3D-gitter, så de kunne ikke tage så mange målinger som denne, sagde Ye.
”Det er som at sammenligne ure,” sagde Ye. "Ved hjælp af denne analogi starter laserpulsen på atomerne en sammenhængende svingning. Ti sekunder senere tænder vi pulsen igen og spørger elektronet, 'Hvor er du?'" Denne måling er i gennemsnit over tusinder af atomer.
At holde elektroner i denne mellemliggende tilstand er vanskeligt, sagde Ye, og det er en anden grund til, at atomerne skal være så kolde, så elektronerne ikke ved et uheld berører noget andet.
Uret kan i det væsentlige måle sekunder ned til 1 del i billioner. Denne evne gør mere end en rigtig god tidholder; det kan hjælpe i søgninger efter fænomener som mørk stof, sagde Ye. For eksempel kunne man oprette et eksperiment i rummet ved hjælp af en sådan nøjagtig timer for at se om atomer opfører sig anderledes end hvad konventionelle teorier forudsiger.
Undersøgelsen er detaljeret i 6. oktober-udgaven af tidsskriftet Science.
