Как управлять частотой атомных часов с помощью взаимодействия между атомами в кубической решетке

Атомные часы — это устройства, которые измеряют время с невероятной точностью, используя частоту света, соответствующую энергетическим переходам атомов. Они считаются самыми точными часами во вселенной, и их применение включает в себя навигацию, телекоммуникацию, фундаментальную науку и т. д. Однако, как и любая технология, атомные часы несовершенны и подвержены различным искажениям, которые могут ухудшить их точность. Одним из таких искажений являются коллективные Лэмбовские сдвиги — маленькие сдвиги частоты, вызванные взаимодействием между атомами в решетке часов.

Что такое решетка часов? Это способ удерживать атомы в определенном пространственном порядке с помощью лазерного света. Атомы в решетке часов возбуждаются лазером-зондом в квантовое состояние, называемое состоянием часов, которое определяет частоту тикающих часов. Существуют разные типы решеток часов, но одним из самых перспективных является кубическая решетка, в которой атомы удерживаются во всех направлениях, образуя кубическую структуру. Такая решетка имеет ряд преимуществ, таких как высокая плотность атомов, однородность и равновесие, но также требует сложной подготовки и загрузки атомов в решетку.

Исследователи из JILA и NIST, под руководством Джуна Йе, провели уникальный эксперимент с кубической решеткой часов, используя атомы стронция-87. Они смогли не только контролировать и минимизировать Лэмбовский сдвиг, но и изучить их пространственное распределение и зависимость от угла лазера-зонда. Это позволило им калибровать часы с более высокой точностью и открыть новые возможности для исследования многочастичной физики в системе часов.

Коллективный Лэмбовский сдвиг — это эффект, который возникает, когда много атомов находятся в плотно ограниченном пространстве и взаимодействуют друг с другом, как диполи. Диполь — это объект, который имеет два противоположно заряженных полюса, например, магнит или атом в квантовой суперпозиции двух состояний. Когда атомы в решетке часов находятся в такой суперпозиции, они взаимодействуют друг с другом через диполь-дипольное взаимодействие, которое изменяет электромагнитную модовую структуру вокруг них. Это приводит к сдвигу частоты, который зависит от количества и расположения атомов в решетке.

Кооллективные Лэмбовские сдвиги были предсказаны теоретически еще в 2004 году, но тогда они казались слишком далекой для наших технологий проблемой точности часов. Однако, с развитием технологии и увеличением числа атомов в решетках часов, эти сдвиги стали более актуальными и заметными. Особенно это касается кубической решетки, в которой атомы имеют большую плотность и сильнее взаимодействуют друг с другом.

Чтобы измерить и контролировать эти сдвиги, исследователи из JILA и NIST использовали специальные методы спектроскопии изображений, которые позволяли им получать информацию о частоте и распределении атомов в решетке. Они обнаружили, что Лэмбоские сдвиги не одинаковы по всей решетке, а меняются в зависимости от положения атомов. Это означает, что частота тикающих часов может немного отличаться от одной части решетки к другой, что является важным фактором для точности часов.

Исследователи также нашли связь между Лэмбовским сдвигом и углом лазера-зонда относительно решетки. Они выяснили, что можно найти такой угол, при котором сдвиг частоты меняет знак с положительного на отрицательный, и при этом наблюдается нулевой коллективный Лэмбовский сдвиг. Это означает, что атомы находятся в особом квантовом состоянии, которое не испытывает влияния от взаимодействия с другими атомами. Используя этот угол, исследователи смогли сделать часы более устойчивыми к Лэмбовским сдвигам и повысить их точность.

Кроме того, исследователи планируют рассмотреть Лэмбовский сдвиг не только как проблему, но и как возможность для изучения других явлений квантовой физики в системе часов. Например, они хотят исследовать эффект спинового сжатия, который заключается в создании квантового запутывания между атомами, что может улучшить чувствительность часов. Также они хотят изучать другие типы взаимодействий между атомами, которые могут привести к новым фазовым переходам и коллективным явлениям.