Os físicos da JILA aumentaram a potência do sinal de seu "relógio de pinça" atômica e mediram seu desempenho em parte pela primeira vez, demonstrando alta estabilidade próxima ao melhor da última geração de relógios atômicos.

O relógio incomum, que usa pinças a laser para capturar, controlar e isolar átomos, oferece possibilidades únicas para melhorar o desempenho do relógio usando os truques da física quântica, bem como aplicações futuras no processamento de informações quânticas, simulação quântica, e ciência da medição.

Descrito em um Natureza artigo publicado online em 16 de dezembro, a plataforma do relógio é uma grade retangular de cerca de 150 átomos de estrôncio confinados individualmente por pinças ópticas, que são criados por um feixe de laser apontado por um microscópio e desviado para 320 pontos. Esta versão atualizada do relógio tem até 30 vezes mais átomos do que o projeto preliminar divulgado no ano passado, devido principalmente ao uso de vários lasers diferentes, incluindo um verde para capturar os átomos e dois vermelhos para fazê-los "funcionar".

Uma vez que o laser começou o tique-taque dos átomos nos experimentos descritos no artigo, uma seleção desses átomos continuou vibrando em uníssono na mesma frequência por mais de 30 segundos, um registro para o que é chamado de coerência quântica. O grande número de átomos e seus longos tempos de coerência resultaram em excelente estabilidade do relógio de 5,2 x 10-17 em 1 segundo de tempo médio. Isso significa que a duração de cada "tique" do relógio corresponde às outras em cerca de 1,9 quintilionésimos de segundo.

Os pesquisadores mediram a estabilidade comparando duas regiões diferentes dentro do relógio da pinça, observando que este desempenho se aproxima daquele do relógio de estrutura de estrôncio 3-D da JILA, para o qual o método de comparação interna foi inicialmente desenvolvido. A estabilidade do sistema 3-D foi posteriormente verificada com uma comparação mais convencional entre dois relógios de rede óptica.

A JILA é operada em conjunto pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e pela Universidade de Colorado Boulder.

"Um dos avanços importantes neste trabalho foi que descobrimos um método para preparar muitos átomos, mantendo a coerência quântica, "Disse o físico do NIST / JILA Adam Kaufman." Esta foi a chave para permitir um aumento de 30 vezes no número de átomos em relação ao ano passado, que também permitia números de átomos suficientes para auto-comparações e a observação do longo tempo de coerência. Mas, além dos relógios, esta combinação de escalabilidade, coerência, e o controle de partícula única também configura esse sistema para processamento e simulação de informações quânticas. "

Os pesquisadores do NIST e JILA vêm construindo relógios atômicos há muitos anos. Os relógios mais recentes operam em frequências ópticas, que são muito mais elevados do que os padrões de tempo atuais com base nas frequências de micro-ondas. A pesquisa está ajudando a se preparar para a futura redefinição internacional do segundo, que se baseia no átomo de césio desde 1967. Os relógios ópticos também têm aplicações além da marcação do tempo, como o aprimoramento da ciência da informação quântica.

O relógio da pinça combina alguns dos recursos mais desejáveis ​​dos relógios ópticos atualmente em operação. Por exemplo, como pinças de metal comuns, as pinças a laser oferecem controle preciso de, nesse caso, átomos individuais. O relógio da pinça também fornece sinais fortes e estabilidade fornecidos por muitos átomos - centenas agora e visando mais de mil pinças no futuro.

Para fazer o relógio, pesquisadores carregam uma nuvem de átomos resfriados em seu estado de energia mais baixo em um formato retangular, matriz bidimensional de 320 pinças (16 por 20) formada por um laser verde. Sobrepondo as pinças, há dois feixes de laser cruzados que criam uma onda estacionária chamada rede óptica. A estrutura óptica reduz os requisitos de energia da pinça para 1/30 do seu nível original. Uma nova nuvem de átomos recarrega a pinça a cada poucos segundos. Um processo de filtragem deixa os sites de pinça com um átomo ou vazio; com cada execução do experimento, cada pinça tem cerca de 50% de chance de conter um único átomo.

Os pesquisadores então desligam o laser verde e a rede e mudam para um laser de pinça vermelho, que requer mais energia, mas conduz ao comportamento do relógio. Os átomos mantidos pela pinça são excitados por um "laser de relógio" rosa aplicado perpendicular à luz da pinça, junto com um campo magnético. O laser do relógio excita os átomos, que começam a funcionar entre dois níveis de energia internos. Finalmente, as pinças verdes são religadas e uma câmera registra o estado dos átomos; eles fluorescem apenas no nível de baixa energia, portanto, o tique-taque é registrado como luz intermitente e pode ser convertido em um sinal de temporização.

Além da cronometragem, Os pesquisadores da JILA estão entusiasmados com o uso da plataforma de pinça para outras aplicações, como computação quântica e simulação e sensores quânticos programáveis. Pinças ópticas podem ser usadas para "emaranhar" átomos, um fenômeno quântico que liga suas propriedades mesmo à distância. Estados quânticos especiais como o emaranhamento podem melhorar a sensibilidade de medição de relógios e sensores e também podem ser usados ​​em operações de lógica quântica e simulações de processos quânticos.

"Acho que realmente devemos olhar além dos relógios para esta nova plataforma, "NIST / JILA Fellow e co-autor Jun Ye disse." Com a capacidade de ser capaz de abordar cada átomo individual, pode-se trazer a programabilidade para a detecção quântica e processamento de informações, um recurso que será poderoso para otimizar o sistema para tarefas específicas. "