Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Poszukiwanie nowej sekundy. Porównanie trzech najlepszych zegarów ujawniło niespodziewane różnice
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Eksperci z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) udoskonalili swój optyczny zegar atomowy, bazujący na uwięzionych jonach glinu, do tego stopnia, że mierzy on czas z dokładnością do 19 miejsc po przecinku. Oznacza to, że jego dokładność wynosi 1 sekundę na 317 miliardów lat. Jest on więc najdokładniejszym istniejącym obecnie zegarem. To efekt 20 lat ciągłych prac nad udoskonalaniem glinowego zegara. Urządzenie jest obecnie o 41% bardziej precyzyjne niż dotychczasowy rekordzista i 2,6-krotnie bardziej stabilne niż inne zegary jonowe.
Praca przy najbardziej precyzyjnym zegarze w historii jest niezwykle ekscytująca. W NIST prowadzimy długoterminowy program precyzyjnych pomiarów, dzięki którym poszerzamy naszą znajomość fizyki i lepiej poznajemy świat wokół nas, mówi Mason Marshall, główny autor artykułu, w który poinformowano o osiągnięciu.
Jony glinu umożliwiają zbudowanie wyjątkowo precyzyjnego, stabilnego zegara atomowego. Drgania jonów glinu, używane do pomiaru czasu, są bardziej stabilne niż drgania jonów cezu, które są obecnie wykorzystywane do definiowania sekundy, wyjaśnia David Hume, który stoi na czele zespołu rozwijającego glinowy zegar atomowy. Ponadto jony glinu nie są tak wrażliwe na niektóre z czynników zewnętrznych – na przykład na temperaturę czy pola magnetyczne – jak jony cezu.
Dlaczego wobec tego standardem w nauce są cezowe zegary atomowe i to one definiują sekundę? Otóż jony glinu jest trudno chłodzić i próbkować za pomocą lasera. A to niezbędne techniki zegarów atomowych. Dlatego też naukowcy z NIST połączyli jon aluminium z magnezem. Magnez nie drga tak dobrze jak glin, ale łatwo jest go kontrolować za pomocą lasera. Taki system nazywany jest kwantową spektroskopią logiczną, mówi pracująca przy projekcie studentka Willa Arthur-Dworschack. Jon magnezu chłodzi jon glinu. Porusza się też zgodnie ze swoim partnerem, dzięki czemu stan zegara można odczytać badając laserem stan jonu magnezu.
Zegar atomowy to niezwykle skomplikowana maszyneria, a każdy jego element wpływa na precyzję działania całości. Podczas prac nad udoskonaleniem zegara naukowcy musieli poprawić wiele elementów. Jednym z nich była pułapka, w której znajdują się jony. Sama pułapka powoduje nadmiarowe mikroruchy jonów, które negatywnie wpływają na precyzję zegara. Jest to spowodowane nierównowagą ładunku elektrycznego na przeciwnych jej końcach. Naukowcy przebudowali pułapkę, umieszczając ją na grubszym diamentowym podłożu i modyfikując złotą powłokę na elektrodach.
Kolejnym problemem był też system próżniowy, w którym znajduje się pułapka. Wodór przecieka przez stalowe ściany typowej komory próżniowej. Atomy wodoru zderzały się z jonami, przerywając ich pracę. Przez to co 30 minut konieczne było napełnianie pułapki nowymi jonami. Z problemem poradzono sobie zmieniając architekturę komory próżniowej i budując ją z tytanu. Wycieki wodoru zmniejszyły się 150-krotnie. To zaś spowodowało, że pułapka może działać nieprzerwanie przez wiele dni.
W końcu trzeba było poradzić sobie z jeszcze jednym problemem, koniecznością posiadania bardziej stabilnego lasera do zliczania ruchu jonu. Wersja zegara z 2019 roku musiała działać przez kilka tygodni, by uśrednić fluktuacje kwantowe, losowe zmiany stanu energetycznego jonów spowodowane działaniem lasera. Teraz skorzystano z pomocy laboratorium NIST kierowanego przez Juna Ye. Posiada ono jeden z najbardziej stabilnych laserów na świecie. W laboratorium tym znajduje się zresztą zegar atomowy korzystający z atomów strontu, który w swoim czasie był najbardziej precyzyjnym tego typu urządzeniem.
Za pomocą światłowodów wiązka lasera z laboratorium Ye została wysłana do laboratorium Tary Fortier z NIST, w którym znajduje się grzebień częstości optycznych. To rodzaj niezwykle precyzyjnej linijki do pomiaru częstości promieniowania optycznego. Ta linijka pozwoliła zespołowi pracującemu przy glinowym zegarze atomowym na porównanie swojego lasera z laserem z laboratorium Ye i przeniesienie jego stabilności do swojego laboratorium. Dzięki tej technice możliwe było próbkowanie jonów w zegarze przez pełną sekundę. Wcześniej próbkowanie takie mogło trwać nie dłużej niż 150 milisekund. W ten sposób zwiększono stabilność zegara, a czas potrzebny do osiągnięcia pomiaru rzędu 19 miejsc po przecinku skrócono z 21 do 1,5 dnia.
Pobicie rekordu precyzji pomiaru czasu przyczyni się do lepszego zdefiniowania sekundy, ułatwienia kolejnych odkryć naukowych i postępu technologicznego. Nowy zegar będzie miał swój udział w rozwoju technologii kwantowych, bardziej precyzyjnym badaniu Ziemi czy w poszukiwaniu fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
Źródło: High-Stability Single-Ion Clock with 5.5×10−19 Systematic Uncertainty, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hb3c-dk28
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Pojazdy kosmiczne i urządzenia znajdujące się poza Księżycem są uzależnione od komunikacji z Ziemią, dzięki której znają swoją pozycję. Przed 2 laty NASA wysłała w przestrzeń kosmiczną Deep Space Atomic Clock, dzięki któremu oddalone od Ziemi pojazdy i urządzenia mają zyskać więcej autonomii. Agencja poinformowała właśnie o ustanowieniu nowego rekordu długotrwałej stabilności zegara atomowego.
W celu wyliczenia trajektorii oddalonych od Ziemi pojazdów wykorzystuje się sygnały, wysyłane z Ziemi do pojazdu i odbierane ponownie na Ziemi. Używane są przy tym duże, wielkości lodówki, zegary atomowe na Ziemi, precyzyjnie rejestrujące czasy przybycia sygnałów. Jest to niezbędne do precyzyjnego określenia położenia pojazdu. Jednak dla robota pracującego np. a Marsie czy pojazdu podróżującego w znacznej odległości od Ziemi, konieczność oczekiwania na nadejście sygnału powoduje kumulujące się opóźnienia w pracy, które mogą łącznie trwać nawet wiele godzin.
Jeśli takie pojazdy czy urządzenia posiadałyby własne zegary atomowe, mogłyby samodzielnie obliczać swoją pozycję i trajektorię. Jednak zegary takie musiałyby być bardzo stabilne. Przykładem niech będą satelity GPS. Każdy z nich jest wyposażony w zegar atomowy, jednak zegary te muszą być wielokrotnie w ciągu dnia korygowane, by zachowały odpowiednią stabilność.
Wszystkie zegary atomowe mają pewien stopień niestabilności, co prowadzi do odchylenia wskazań od rzeczywistego upływu czasu. Jeśli odchylenia te nie będą korygowane, zaczną się nawarstwiać, co może mieć opłakane skutki dla urządzenia nawigującego w przestrzeni kosmicznej czy pracującego na odległej planecie.
Jednym z celów misji Deep Space Atomic Clock jest badanie stabilności zegara atomowego w coraz dłuższych odcinkach czasu. NASA poinformowała właśnie, że udało się jej osiągnąć stabilność rzędu poniżej 4 nanosekund na ponad 20 dni. To oznacza, że w tym czasie odchylenie wskazań pokładowego zegara atomowego od czasu rzeczywistego było nie większe niż wspomniane 4 nanosekundy.
Pozornie te 4 nanosekundy to niewiele, jednak, jak mówi Eric Burt, pracujący przy misji Deep Space Atomic Clock, fizyk specjalizujący się w zegarach atomowych, przyjmuje się, że niepewność rzędu 1 nanosekundy równa się niepewności rzędu 1 stopy, czyli ok. 30 centymetrów. Niektóre zegary systemu GPS muszą być aktualizowane kilkanaście razy na dobę, by zachować odpowiedni poziom stabilności. To oznacza, że GPS jest wysoce zależny od komunikacji z Ziemią. Deep Space Atomic Clock może być aktualizowany raz na tydzień lub rzadziej, co dawałoby takim urządzeniom jak GPS więcej autonomii, dodaje Burt.
Amerykanie robią więc szybkie postępy. Jeszcze jesienią 2020 roku stabilność ich eksperymentalnego zegara była 5-krotnie mniejsza niż obecnie. Ta różnica wynika nie tylko z udoskonalenia samego zegara, ale również z udoskonalenia metod pomiarów jego stabilności, co było możliwe dzięki zebraniu przez ostatnie miesiące dodatkowych danych.
Misja Deep Space Atomic Clock ma zakończyć się w sierpniu. NASA już jednak pracuje nad udoskonalonym Deep Space Atomic Clock-2, który zostanie dołączony do misji VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy). Podobnie jak jego poprzednik, będzie to misja demonstracyjna, której celem będzie zwiększenie możliwości urządzenia i opracowanie nieistniejących obecnie rozwiązań sprzętowych i programowych. W czasie misji VERITAS zegar będzie mógł pokazać, na co go stać i sprawdzimy jego potencjalną przydatność podczas przyszłych misji kosmicznych, zarówno w czasie badań naukowych jak i nawigacji, stwierdził Todd Ely, główny naukowiec Deep Space Atomic Clock.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy i inżynierowie z kanadyjskiej firmy Xanadu Quantum Technologies we współpracy z amerykańskim Narodowym Instytutem Standardów i Technologii, stworzyli programowalny, skalowalny kwantowy fotoniczny układ scalony, na którym można uruchamiać różne algorytmy. Szczegóły układu zostały opisane na łamach Nature.
Naukowcy i firmy na całym świecie pracują nad praktycznymi komputerami kwantowymi. Maszyny takie byłyby w stanie wykonywać obliczenia, których za pomocą komputerów klasycznych nie da się przeprowadzić w rozsądnym czasie.
Obecnie dominują dwie technologie – układy oparte na materiałach nadprzewodzących oraz na jonach złapanych w pułapkę. Obie mają swoje wady i zalety, a jedną z najpoważniejszych wad jest konieczność schłodzenia takich układów do bardzo niskich temperatur, co praktycznie wyklucza skalowanie takich rozwiązań i zastosowanie ich w większości miejsc, w których stosujemy obecne komputery.
Znacznie mniej rozpowszechnione i mniej nagłośnione są technologie bazujące na fotonice. W tego typu układach trudniej jest bowiem uzyskać i przekazywać stany kwantowe. Z kolei olbrzymią zaletą takich układów jest fakt, że mogą pracować w temperaturze pokojowej.
Teraz inżynierowie z Xanadu donoszą, że pokonali część problemów związanych z układami fotonicznymi i stworzyli działający chip, który można skalować i uruchamiać na nim różnego typu algorytmu. Firma ogłosiła, że moc obliczeniowa kość X8 zostanie komercyjnie udostępniona. Zainteresowani będą mogli skorzystać z 8- lub 12-kubitowego systemu.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Zegary atomowe to najbardziej precyzyjne narzędzie do pomiaru czasu. Wykorzystuje się w nich lasery, które mierzą wibracje atomów drgających ze stałą częstotliwością. Obecnie najbardziej precyzyjne zegary atomowe mierzą czas tak dokładnie, że gdyby istniały od początku wszechświata to spóźniłyby się lub przyspieszyły o nieco ponad pół sekundy. Okazuje się jednak, że mogą być jeszcze bardziej precyzyjne.
Naukowy z MIT doszli do wniosku, że jeśli zegary atomowe z większą precyzją mierzyłyby drgania atomów, można by za ich pomocą wykrywać ciemną materię czy fale grawitacyjne. Na łamach Nature poinformowali właśnie, że stworzyli zegar atomowy mierzący nie chmurę swobodnie drgających atomów, ale atomów ze sobą splątanych. Uczeni informują, że jeśli najnowocześniejsze zegary atomowe przystosuje się do pracy ze splątanymi atomami według ich pomysłu, to ich precyzja zwiększy się co najmniej czterokrotnie. Takie zegary, istniejące od początku wszechświata, przyspieszyłyby lub opóźniły o mniej niż... 100 milisekund.
Gdy tylko ludzie zaczęli mierzyć czas, korzystali przy tym z regularnych zjawisk, jak np. wędrówka Słońca po nieboskłonie. Obecnie najlepszym dostępnym nam regularnym zjawiskiem są drgania atomów. Perfekcyjny pomiar czasu polegałby na obserwacji drgań pojedynczego atomu. Jednak atomy są tak małe, że podlegają zasadom mechaniki kwantowej. Pomiar zmienia ich stan. Dopiero wiele takich pomiarów i uśrednienie ich wyników daje poszukiwaną wartość. Jeśli zwiększymy liczbę atomów i uśrednimy wynik z nich otrzymywany, to dostaniemy prawidłową odpowiedź, mówi Simone Colombo z MIT. Dlatego też współczesne zegary atomowe pracują z chmurami tysięcy atomów.
Typowy zegar atomowy wykorzystuje lasery do umieszczenia schłodzonych atomów w pułapce. Inny, bardzo stabilny laser, jest zaś odpowiedzialny za rejestrowanie drgań tych atomów. Mimo tego, wciąż istnieje pewien margines błędu. I tutaj właśnie, jak przekonują naukowcy z MIT, pomoże kwantowe splątanie atomów. Uczeni stwierdzili, że jeśli atomy zostaną splątane, ich indywidualne oscylacje zostaną bardziej ograniczone i będą bardziej pasowały do drgań całej grupy, zatem odchylenia będą mniejsze niż w przypadku atomów niesplątanych.
Profesor Vladan Vuletic i jego koledzy splątali około 350 atomów iterbu, których częstotliwość drgań jest podobna jak światła widzialnego. Oznacza to, że w ciągu sekundy jeden atom iterbu drga 100 000 razy częściej niż atom cezu.
Uczeni wykorzystali standardową technikę chłodzenia atomów i zamknięcia ich we wnęce optycznej utworzonej z dwóch luster. Następnie wysłali do wnęki promień lasera, który odbijał się pomiędzy lustrami, wchodząc w tysiące interakcji z atomami. Światło utworzyło kanał komunikacyjny pomiędzy atomami. Pierwszy atom, z którym się spotkało, nieco je zmodyfikował, światło zmodyfikowało drugi atom, potem trzeci i tak dalej. I w ciągu wielu cykli atomy „poznały się nawzajem” i zaczęły podobnie się zachowywać, mówi Chi Shu.
W ten sposób naukowcy splątali ze sobą atomy, a następnie wykorzystali laser do pomiaru ich częstotliwości. Gdy porównali swój zegar z zegarem z niesplątanymi atomami stwierdzili, że ich osiąga pożądaną precyzję czterokrotnie szybciej. Zawsze można uczynić zegar bardziej precyzyjny dokonując dłuższego pomiaru. Pytanie jednak brzmi, ile czasu potrzeba, by osiągnąć wymaganą precyzję. Wiele zjawisk musi być mierzonych niezwykle szybko, mówi Vuletic.
Zdaniem naukowca tak udoskonalone zegary atomowe mogą dać nam odpowiedź na wiele intrygujących pytań. Czy w miarę starzenia się wszechświata światło zmienia prędkość? Czy zmienia się ładunek elektronu?, takie właśnie kwestie chcą rozstrzygać naukowcy dysponujący zegarami atomowymi.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Współczesne zegary optyczne pracują z dokładnością 1 sekundy na 20 miliardów lat. Dlatego też naukowcy z USA, pracujący pod kierunkiem Juna Ye z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii postanowili wykorzystać tę precyzję oraz niezwykłą stabilność wykorzystywanych w nich kryształów krzemowych do uściślenia zakresu potencjalnych interakcji zachodzących pomiędzy ciemną materią a cząstkami i polami Modelu Standardowymi.
O ciemnej materii wiemy niewiele. Mamy jedynie pośrednie dowody na jej istnienie, gdyż widzimy wywierane przez nią efekty grawitacyjne w skali galaktycznej i kosmologicznej. Jednym z elementów, które dotychczas wymykają się naukowcom poszukującym ciemnej materii są spodziewane oscylacje stałych fizycznych, jakie powinny zachodzić na styku ciemnej materii oddziałującej z cząstkami Modelu Standardowego. Ye i jego zespół zdali sobie sprawę, że jeśli za pomocą zegara optycznego nie uda się zaobserwować takich oscylacji, oznacza to, że siła interakcji ciemnej materii z materią jest znacznie mniejsza niż obecnie przyjmowana.
Poszukiwania ciemnej materii prowadzone są w wielu laboratoriach na świecie. Cząstkami ciemnej materii mogą być hipotetyczne aksjony czy WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki) o masach sięgających 100 GeV. Jednak Amerykanie postanowili przyjrzeć się drugiemu krańcowi masy. Wykorzystali zegar optyczny do poszukiwania możliwych interakcji pomiędzy ciemną materią a materią przy masach znacznie poniżej 1 eV czyli o 500 000 razy mniejszych niż masa elektronu w czasie spoczynku.
Zegary optyczne to rodzaj zegarów atomowych. Wykorzystują one drgania atomów strontu. Częstotliwość ich pracy jest bezpośrednio związana z niektórymi stałymi fizycznymi, co pozwala dokonywać niezwykle precyzyjnych pomiarów ewentualnych zmian.
Ye i jego zespół użyli więc zegara optycznego do poszukiwania jakichkolwiek zmian stałej struktury subtelnej (α), która opisuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych. W tym celu porównali częstotliwość drgań atomu strontu z krzemową wnęką optyczną. Częstotliwość obu jest definiowana przez α oraz inną stałą fizyczną, masę spoczynkową elektronu (me).
Jednak w obu przypadkach zależności pomiędzy stałymi są różne, zatem ich stosunek do siebie pozwala na określenie ewentualnych zmian α. Używano już zegarów atomowych pracujących z częstotliwościami mikrofalowymi do określenia granic siły oddziaływania ciemnej materii. Nasza praca to pierwsza próba wykorzystania zegara optycznego do znalezienia oscylacji świadczących o istnieniu ciemnej materii, mówi Ye.
Naukowcy porównali więc częstotliwość wnęki optycznej do częstotliwości zegara optycznego i dodatkowo użyli też częstotliwości wodorowego masera. Co prawda urządzenie to nie pozwala na tak precyzyjne pomiary jak zegar optyczny, jednak bazuje on na innym stosunku częstotliwości do α i me, a dzięki porównaniu tych właściwości z danymi krzemowej wnęki można sprawdzać ewentualne oscylacje wartości me. O ile oscylacje wartości a wskazywałaby na oddziaływania pomiędzy ciemną materią a polem elektromagnetycznym, to oscylacje me ujawniłyby jej interakcje z elektronem.
Wykorzystanie w pomiarach krzemowej wnęki optycznej pozwala dodatkowo skorzystać z jej stabilności. Większość takich wnęk jest wykonanych ze szkła, które jest nieuporządkowanym amorficznym ciałem stałym. Nowa generacja krzemowych wnęk optycznych wykonanych z pojedynczego kryształu krzemu utrzymywanego w temperaturach kriogenicznych powoduje, że są one o cały rząd wielkości bardziej stabilne. To podstawowa zaleta naszej pracy, mówi Colin Kennedy, jeden z autorów badań.
Tak jak się spodziewano, nie zaobserwowano oscylacji podstawowych stałych fizycznych spowodowanych oddziaływaniem z ciemną materią. Oznacza to, że dla cząstek ciemnej materii o masie od 4,5 x 10-16 aż do 1 x 10-19 eV możliwa siła oddziaływań definiowana przez α jest nawet pięciokrotnie mniejsza niż obecnie zakładana. Dla stałej me i cząstek o masie 2 x 10-19 po 2 x 10-21 eV siła ta jest nawet 100-krotnie mniejsza.
Ze szczegółami można zapoznać się w pracy Precision Metrology Meets Cosmology: Improved Constraints on Ultralight Dark Matter from Atom-Cavity Frequency Comparisons
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.