Em um novo estudo publicado na Science hoje, Jun Ye, bolsista do JILA e do NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia), e sua equipe de pesquisa deram um passo significativo na compreensão das intrincadas e coletivas interações átomo-luz nos relógios atômicos, os relógios mais precisos do universo.



Usando uma rede cúbica, os pesquisadores mediram mudanças específicas de energia dentro do conjunto de átomos de estrôncio-87 devido a interações dipolo-dipolo. Com uma alta densidade de átomos, essas mudanças de frequência no nível de mHz – conhecidas como mudanças cooperativas de Lamb – foram estudadas espectroscopicamente. Essas mudanças foram estudadas espacialmente e comparadas com valores calculados utilizando técnicas de espectroscopia de imagem desenvolvidas neste experimento.

Estas mudanças cooperativas de Lamb, nomeadas porque a presença de muitos átomos idênticos num espaço fortemente confinado modifica a estrutura do modo eletromagnético em torno deles, são um fator importante à medida que o número de átomos nos relógios continua a crescer.

“Se você puder compreender e controlar essas interações em alta densidade nesta grade, você sempre poderá tornar a grade cada vez maior”, explica William Milner, estudante de graduação da JILA, o segundo autor do artigo. “É uma tecnologia inerentemente escalável, importante para melhorar o desempenho do clock.”

Tempo em um cubo

Os relógios atômicos, há muito considerados o auge da precisão, operam com base no princípio de medir a frequência da luz absorvida ou emitida pelos átomos. Cada tique desses relógios é governado pelas oscilações da superposição quântica de elétrons dentro desses átomos, estimuladas pela energia correspondente de um laser de sondagem. O laser excita os átomos em um estado quântico conhecido como estado de relógio.

Enquanto os relógios de rede óptica mais tradicionais usam uma rede óptica unidimensional, suprimindo os movimentos dos átomos apenas ao longo de uma direção fortemente confinante, o relógio quântico de gás de estrôncio usado neste estudo confinou os átomos em todas as direções, colocando-os em um arranjo cúbico. Embora o uso de uma rede 3D seja uma geometria de relógio atraente, também requer a preparação de um gás quântico ultrafrio de átomos e seu carregamento cuidadoso na rede.

“É mais complicado, mas tem alguns benefícios únicos, pois o sistema apresenta mais propriedades quânticas”, elabora Milner.

Na física quântica, o arranjo espacial das partículas influencia criticamente o seu comportamento. Com a sua uniformidade e equilíbrio, a rede cúbica criou um ambiente controlado onde as interações atômicas eram observáveis ​​e manipuláveis ​​com uma precisão sem precedentes.

Observando interações dipolo-dipolo

Usando a rede cúbica, Ross Hutson (um recente Ph.D. graduado pela JILA), Milner e os outros pesquisadores do laboratório Ye, foram capazes de facilitar e medir as interações dipolo-dipolo entre os átomos de estrôncio. Estas mudanças, normalmente tão pequenas que são negligenciadas, surgem da interferência coletiva entre os átomos que se comportam como dipolos quando são preparados numa superposição dos dois estados do relógio.

Como a ordenação espacial dos átomos dentro da rede cúbica influencia o acoplamento dipolar, os pesquisadores poderiam amplificar ou diminuir as interações dipolares manipulando o ângulo do laser do relógio em relação à rede. Operando num ângulo especial – o ângulo de Bragg – os investigadores esperavam uma forte interferência construtiva e observaram uma mudança de frequência correspondentemente maior.

Olhando para turnos cooperativos de cordeiros

Com interações dipolo-dipolo mais fortes ocorrendo dentro da rede, os pesquisadores descobriram que essas interações criaram mudanças locais de energia em todo o sistema de relógio.

Estas mudanças de energia, ou mudanças cooperativas de Lamb, são efeitos muito pequenos que normalmente são difíceis de detectar. Quando muitos átomos são agrupados, como em uma rede de relógio cúbica, essas mudanças tornam-se um assunto coletivo e são reveladas pela recém-alcançada precisão de medição do relógio. Se não forem controlados, eles podem afetar a precisão dos relógios atômicos.

“Essas [mudanças foram] inicialmente propostas em 2004 como uma coisa futurista com que se preocupar [para a precisão do relógio]”, acrescenta Milner. "Agora, eles são subitamente mais relevantes [conforme você adiciona mais átomos à rede]."

Como se medir estas mudanças não fosse suficientemente interessante, ainda mais interessante foi que os investigadores constataram que as mudanças cooperativas de Lamb não eram uniformes ao longo da rede, mas variavam dependendo da localização específica de cada átomo.

Esta variação local é significativa para a medição do relógio:implica que a frequência com que os átomos oscilam e, portanto, o 'tique-taque' do relógio, pode diferir ligeiramente de uma parte da rede para outra. Essa dependência espacial dos turnos cooperativos de Lamb é uma mudança sistemática importante a ser entendida à medida que os pesquisadores se esforçam para melhorar a precisão da cronometragem.

“Ao medir estas mudanças e vê-las alinhadas com os nossos valores previstos, podemos calibrar o relógio para ser mais preciso”, diz Milner.

A partir de suas medições, a equipe percebeu que havia uma conexão estreita entre os deslocamentos cooperativos de Lamb e a direção de propagação do laser da sonda de relógio dentro da rede. Esta relação permitiu-lhes encontrar um ângulo específico onde foi observado um "cruzamento de zero" e o sinal da mudança de frequência passou de positivo para negativo.

"É um estado quântico particular que experimenta zero mudança coletiva de Lamb (superposição igual do estado fundamental e do estado excitado)", explica Lingfeng Yan, estudante de pós-graduação da JILA. Brincar com a conexão entre o ângulo de propagação do laser em relação à rede cúbica e as mudanças cooperativas de Lamb permitiu aos pesquisadores ajustar ainda mais o relógio para ser mais robusto contra essas mudanças de energia.

Explorando outras físicas

Além de controlar e minimizar essas interações dipolo-dipolo na rede cúbica, os pesquisadores do JILA esperam usar essas interações para explorar a física de muitos corpos em seu sistema de relógio.

"Há uma física realmente interessante acontecendo porque você tem esses dipolos interagindo", Milner elabora, "Então, pessoas, como Ross Hutson, têm ideias para até mesmo usar potencialmente essas interações dipolo-dipolo para compressão de spin [um tipo de emaranhamento quântico] para fazer relógios ainda melhores."

Mais informações: Ross B. Hutson et al, Observação de mudanças cooperativas de Lamb em nível de milihertz em um relógio atômico óptico, Ciência (2024). DOI:10.1126/science.adh4477
Informações do diário: Ciência

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