Joint Institute for Laboratory Astrophysics’den (JILA) fizikçiler, atomik bir saat için tamamen yeni bir tasarım yarattı; stronsiyum atomları önceki bir boyutlu (1-D) saatlerin yoğunluğunun 1000 katı olan küçük 3 boyutlu (3- D) bir küp içine yerleştirildi. Bunu yaparken, pratik bir ölçüm cihazı yapmak için “kuantum gazı”nın ultra-kontrollü davranışı ilk kez kullanıldı.
Yerinde tamamen hareketsiz kalan çok sayıda atomla JILA’nın kübik kuantum gaz saati “kalite faktörü” adı verilen bir değer ve bunun sonucunda elde edilen ölçüm hassasiyetini kaydediyor. Büyük bir kalite faktörü atomları ve onları sondalamak için kullanılan lazerler arasında yüksek seviyede bir senkronizasyona neden oluyor ve saatin “tiklerini” olağandışı uzun bir sürede saf ve kararlı hale getiriyor ve böylece daha yüksek hassasiyet elde ediliyor.
Şu ana kadar, ileri saatlerde “tikleyen” binlerce atomun her biri, büyük miktarda bağımsızdı. Bu durumun aksine, yeni kübik kuantum gaz saati, küresel bir şekilde birbiriyle ilişkili atom yığınını çarpışmayı sınırlandırmak ve ölçümleri geliştirmek için kullanılıyor. Bu kontrollü kuantum sistemlerine bağlı olarak dramatik değişimlerle gelişen ölçümler ve teknolojiler çağının yönünü etkileyen yeni bir yaklaşım.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ve Colorado Boulder Üniversitesi tarafından yönetilen Joint Institute for Laboratory Astrophysics’ten fizikçi Jung Ye, Science dergisinin 6 Ekim sayısında yeni saattenşu şekilde bahsediyor: “Belirli bir ölçüm amacı için bir maddenin kuantum mühendisliğini yapabileceğimiz gerçekten heyecan verici bir döneme giriyoruz.”
Saatin merkezinde, Ye’nin vefat eden meslektaşı Deborah Jin tarafından 1999 yılında yapılmış olan, dejenere Fermi gazı (Fermi parçacıkları içeren bir kuantum gazı) adı verilen olağandışı bir madde hali var. Önceki tüm atom saatlerinde termal gazlar kullanılmış. Bir kuantum gazı kullanımı, tüm atomların özelliklerinin ilk defa kuantize edilmesini veya belirli değerlerle sınırlanmasını sağlıyor.
“Üç boyutlu kuantum gaz saatinin en önemli potansiyeli, atom numaralarını ölçekleme yeteneğidir ve bu da istikrarda büyük bir kazanç sağlayacaktır” diye aktarıyor Ye. “Ayrıca, bir ‘tikin’ ne kadar süreyle sabit kalabileceğini belirten tam tutarlılık zamanıyla saati çalıştırmanın ideal koşuluna ulaşabiliriz. Hem atom numarasını hem de tutarlılık süresini arttırabilmemiz sayesinde bu yeni nesil saat niteliksel olarak önceki nesilden üstündür.”
Şimdiye kadar, atom saatleri her atomu ayrı bir kuantum parçacığı olarak gördü ve atomlar arasındaki etkileşimler ölçüm problemleri yarattı. Ancak, kontrollü bir koleksiyon olan “kuantum çok cisimli sistem” atomlarını belli bir patern veya korelasyona göre düzenleyerek mümkün olan en düşük total enerji seviyesine ulaşır. Saatin kaç atom eklenerek çalıştırıldığından bağımsız olarak, atomlar birbirleriyle etkileşmemeye devam ederler. Atom gazı efektif olarak kendisini bileşenler arasındaki etkileşimleri bloke eden bir yalıtkan haline getirir.
Sonuç, tüm öncekilerden daha iyi performans gösterebilen bir atom saati. Mesela kararlılık, her bir işaretin süresinin, saatin ölçme hassaslığına doğrudan bağlı diğer her işaret ile ne kadar eşleştiği şeklinde düşünülebilir. Ye’nin önceki 1-D saatleri ile karşılaştırıldığında, yeni 3-D kuantum gaz saati, çok sayıdaki atom ve daha uzun koherens süreleri nedeniyle 20 kat daha hızlı hassasiyetle aynı seviyeye erişebilir.
Deneysel veriler, 3-D kuantum gaz saatinin yaklaşık 2 saat içinde 10 quintllion (1’i takiben 19 sıfır), sadece 3,5 parça hata payı sağladığını ve bu eşiğe (19 sıfır) ulaşan ilk atom saati olduğunu gösteriyor. Ye, “Bu daha öncekilere kıyasla belirgin bir gelişme” olarak belirtiyor.
JILA saatinin eski 1-D sürümü şimdiye kadar dünyanın en hassas saatiydi. Bu saat, stronsiyum atomlarını, optik kafes olarak adlandırılan lazer ışınları tarafından oluşturulan yassı biçimli tuzaklardan oluşan doğrusal bir dizi içinde tutuyor. Yeni 3-D kuantum gaz saati, atomları üç eksen boyunca yakalamak için ek lazerler kullanıyor, böylece atomlar kübik bir düzende tutuluyor. Bu saat, kübik santimetre başına 10 trilyon atomun üzerinde bir yoğunlukta sıkışmış 10.000 stronsiyum atomu ile yaklaşık 10 saniye boyunca sabit “tikleri” koruyabiliyor. Gelecekte saat aynı anda milyonlarca atomu 100 saniyeden fazla ölçebilir.
Optik kafes saatler, 1-D yüksek performans seviyelerine rağmen, saat doğruluğundan feragat etmek zorunda. Saat istikrarı atom sayısını arttırarak daha da geliştirilebilir, ancak atomların daha da yoğunlaşması aynı zamanda çarpışmaları da teşvik eder ve atomların “tik” frekanslarını değiştirir ve saat doğruluğunu azaltır. Koherens süreleri de çarpışmalarla sınırlandırılır. Çok gövde korelasyonunun yararı budur.
3-D kafes tasarımı -büyük bir yumurta kartonunu hayal edin- atomları yerinde tutarak bu feragati ortadan kaldırır. Aynı anda kuantum durumlarını ve konumlarını paylaşamayan parçacık sınıfı fermiyonlardır. Bu saatin çalışma koşulları altında bir Fermi kuantum gazı için, kuantum mekaniği, her bir kafes alanının yalnızca bir atom tarafından işgal edildiği ve bunun da, saatin 1-D sürümündeki atomik etkileşimler tarafından tetiklenen frekans kaymalarını önlediği bir konfigürasyonu destekliyor.
JILA’dan araştırmacılar, atomlar ve lazerler arasında rekor bir senkronizasyon seviyesi elde etmek için ultra kararlı bir lazer kullandı ve 5,2 katrilyon (5.2 ve ardından 15 sıfır) rekor seviyede bir kaliteye ulaştı. Kalite faktörü bir salınım veya dalga formunun ne kadar süreyle dağılabildiğini ifade ediyor. Araştırmacılar atom çarpışmalarının, saatteki frekans kaymalarına olan katkısının önceki deneylerden çok daha az olduğu şekilde azaldığını buldu.
“Bir kuantum gazı kullanan bu yeni stronsiyum saati, bazen ‘kuantum 2.0’ olarak adlandırılan yeni kuantum devriminin pratik uygulamasında erken ve şaşırtıcı bir başarıdır” diyor NIST Kuantum Fiziği Bölümü Başkanı ve Ye’nin süpervizörü Thomas O’Brian, “Bu yaklaşım, NIST ve JILA’nın zaman ölçümünün çok ötesinde geniş bir yelpazede ölçümler ve yeni teknolojiler için kuantum korelasyonlarının kullanılması için muazzam bir vaatte bulunuyorlar.”
Ölçüm hedeflerine ve uygulamalarına bağlı olarak JILA’dan araştırmacılar, çalışma sıcaklığı (10 ila 50 nanokelvin), atom numarası (10.000 ila 100.000) ve kübün fiziksel boyutu (20 ila 60 mikrometre veya 1 metrenin milyonuncusu) gibi saatin parametrelerini optimize edebilir.
Atomik saatler yalnızca zaman işleyişi ve navigasyonda değil, aynı zamanda diğer ölçüm birimlerinin ve evrendeki eksik “karanlık maddenin” hesaplamalı aramalarında olduğu gibi diğer araştırma alanlarının tanımlarında ölçüm biliminin sınırını ilerletiyor.
Ulusal Standartlar Bürosu, şimdiki ismiyle Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST), 1948’de ilk atom saatini icat etmişti.
