Arte feita com a nova técnica de imagem da JILA, que mede rápida e precisamente o comportamento quântico em um relógio atômico. As imagens são representações em cores falsas de átomos detectados no estado fundamental (azul) ou no estado excitado (vermelho). A região branca representa uma mistura fina de átomos nos dois estados, que cria um "ruído" quântico na imagem. Isso ocorre porque todos os átomos foram inicialmente preparados em um estado quântico de superposição, ou ambos os estados fundamental e excitado simultaneamente, e a medição de imagem leva ao colapso em um dos dois estados. A técnica de imagem ajudará a melhorar a precisão do relógio, adicionar novos detalhes de nível atômico para estudos de fenômenos como magnetismo e supercondutividade e, no futuro, talvez permita que os cientistas "vejam" uma nova física. Crédito:Marti / JILA
Os cientistas da JILA inventaram uma nova técnica de imagem que produz medições precisas do comportamento quântico em um relógio atômico na forma de arte visual quase instantânea.
A técnica combina espectroscopia, que extrai informações das interações entre luz e matéria, com microscopia de alta resolução.
Conforme descrito em Cartas de revisão física , o método JILA faz mapas espaciais de mudanças de energia entre os átomos em um relógio atômico de estrutura de estrôncio tridimensional, fornecendo informações sobre a localização de cada átomo e nível de energia, ou estado quântico.
A técnica mede rapidamente os efeitos físicos que são importantes para os relógios atômicos, melhorando assim a precisão do relógio, e pode adicionar novos detalhes de nível atômico para estudos de fenômenos como magnetismo e supercondutividade. No futuro, o método pode permitir que os cientistas finalmente vejam uma nova física, como a conexão entre a física quântica e a gravidade.
O JILA é operado em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.
"Essa técnica nos permite escrever uma bela 'música' com luz laser e átomos, e, em seguida, mapeie isso em uma estrutura e congele-a como uma pedra para que possamos olhar para átomos individuais ouvindo os diferentes tons do laser, leia diretamente como uma imagem, "JILA / NIST Fellow Jun Ye disse.
Os átomos estão em um chamado gás degenerado quântico, em que um grande número de átomos interagem uns com os outros. Este fenômeno de "muitos corpos quânticos" está estendendo a precisão da medição a novos extremos.
Para preparar átomos para uma foto de beleza, pesquisadores usam um pulso de laser para conduzir cerca de 10, 000 átomos de estrôncio de seu estado fundamental de baixa energia para um estado de alta energia, Estado de excitação. Então, um laser azul posicionado abaixo da rede é direcionado para cima verticalmente através dos átomos, e uma câmera tira uma foto da sombra que os átomos lançam, que é uma função de quanta luz eles absorvem. Os átomos do estado fundamental absorvem mais luz.
As imagens resultantes são representações em cores falsas de átomos no estado fundamental (azul) e no estado excitado (vermelho). A região branca representa os átomos em uma mistura fina de cerca de 50 por cento de vermelho e 50 por cento de azul, criando um efeito manchado. Isso ocorre porque esses átomos foram inicialmente preparados em um estado quântico de superposição, ou ambos os estados fundamental e excitado simultaneamente, e a medição de imagem leva a um colapso em um dos dois estados, que cria "ruído" na imagem.
Como demonstração, a equipe JILA criou uma série de imagens para mapear pequenas mudanças de frequência, ou frações de átomos no estado excitado, em diferentes regiões da rede. A capacidade de fazer comparações simultâneas melhora a precisão e a velocidade nas medições de um grupo de átomos. Os pesquisadores relataram atingir uma precisão recorde na frequência de medição de 2,5 x 10-19 (erro de apenas 0,25 partes por bilhão de bilhões) em 6 horas. Espera-se que a espectroscopia de imagem melhore muito a precisão do relógio atômico JILA, e outros relógios atômicos em geral.
A espectroscopia de imagem fornece informações sobre o ambiente local dos átomos, semelhante à incrível resolução oferecida pela microscopia de varredura por tunelamento. Até aqui, o método tem sido usado para produzir imagens bidimensionais, mas poderia fazer imagens 3-D com base em medições camada por camada, como é feito na tomografia, que combina várias seções transversais de objetos sólidos, Ye disse.
Uma espécie de cristal artificial, a rede de átomos também poderia ser usada como um sensor magnético ou gravitacional para testar a interação entre diferentes campos da física. Ye está muito animado com a futura possibilidade de usar os átomos do relógio como um sensor de gravidade, para ver como a mecânica quântica, que opera em escalas espaciais muito pequenas, interage com a relatividade geral, a teoria da gravidade, uma força macroscópica.
"Conforme o relógio fica melhor nos próximos 20 anos, este pequeno cristal não só poderia mapear como a gravidade afeta a frequência, mas também podemos começar a ver a interação da gravidade e da mecânica quântica, "Ye disse." Este é um efeito físico que nenhuma sonda experimental já mediu. Essa técnica de imagem pode se tornar uma ferramenta muito importante. "