Los científicos de JILA han inventado una nueva técnica de imagen que produce mediciones rápidas y precisas del comportamiento cuántico en un reloj atómico en forma de arte visual casi instantáneo.
La técnica combina la espectroscopia, que extrae información de las interacciones entre la luz y la materia, con microscopía de alta resolución.
Como se describe en Cartas de revisión física , el método JILA hace mapas espaciales de los cambios de energía entre los átomos en un reloj atómico de celosía de estroncio tridimensional, proporcionando información sobre la ubicación de cada átomo y el nivel de energía, o estado cuántico.
La técnica mide rápidamente los efectos físicos que son importantes para los relojes atómicos, mejorando así la precisión del reloj, y puede agregar nuevos detalles a nivel atómico a los estudios de fenómenos como el magnetismo y la superconductividad. En el futuro, el método puede permitir a los científicosFinalmente, vea una nueva física, como la conexión entre la física cuántica y la gravedad.
JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
"Esta técnica nos permite escribir una hermosa pieza de 'música' con luz láser y átomos, y luego mapearla en una estructura y congelarla como una piedra para que podamos ver átomos individuales escuchando los diferentes tonos del láser, leída directamente como una imagen ", dijo Jun Ye, miembro de JILA / NIST.
Los átomos se encuentran en el llamado gas degenerado cuántico, en el que un gran número de átomos interactúan entre sí. Este fenómeno de "muchos cuerpos cuánticos" está extendiendo la precisión de la medición a nuevos extremos.
Para preparar los átomos para una toma de belleza, los investigadores usan un pulso láser para conducir alrededor de 10,000 átomos de estroncio desde su estado fundamental de baja energía a un estado excitado de alta energía. Luego, un láser azul colocado debajo de la red se ilumina verticalmente hacia arribaa través de los átomos, y una cámara toma una fotografía de la sombra que proyectan los átomos, que es una función de la cantidad de luz que absorben. Los átomos del estado fundamental absorben más luz.
Las imágenes resultantes son representaciones de átomos en color falso en el estado fundamental azul y en el estado excitado rojo. La región blanca representa átomos en una fina mezcla de aproximadamente 50 por ciento de rojo y 50 por ciento de azul, creando un efecto moteado.Esto ocurre porque estos átomos se prepararon inicialmente en un estado cuántico de superposición, o en ambos estados fundamental y excitado simultáneamente, y la medición de imágenes provoca un colapso en uno de los dos estados, lo que crea "ruido" en la imagen.
Como demostración, el equipo de JILA creó una serie de imágenes para mapear pequeños cambios de frecuencia, o fracciones de átomos en el estado excitado, en diferentes regiones de la red. La capacidad de hacer comparaciones simultáneas mejora la precisión y la velocidad en las mediciones de ungrupo de átomos. Los investigadores informaron que alcanzaron una precisión récord en la frecuencia de medición de 2.5 x 10-19 error de solo 0.25 partes por billón de billones en 6 horas. Se espera que la espectroscopía de imagen mejore en gran medida la precisión del reloj atómico JILA, yotros relojes atómicos en general.
La espectroscopía de imágenes proporciona información sobre el entorno local de los átomos, similar a la increíble resolución que ofrece la microscopía de túnel de barrido. Hasta ahora, el método se ha utilizado para producir imágenes bidimensionales, pero podría hacer imágenes en 3-D basadas enMediciones capa por capa, como se hace en la tomografía, que combina múltiples secciones transversales de objetos sólidos, dijo Ye.
Una especie de cristal artificial, la red de átomos también podría usarse como un sensor magnético o gravitacional para probar la interacción entre diferentes campos de la física. Está muy entusiasmado con la posibilidad futura de usar los átomos en el reloj como gravedadsensor, para ver cómo la mecánica cuántica, que opera en escalas espaciales muy pequeñas, interactúa con la relatividad general, la teoría de la gravedad, una fuerza macroscópica.
"A medida que el reloj mejore en los próximos 20 años, este pequeño cristal no solo podría trazar un mapa de cómo la gravedad afecta la frecuencia, sino que también podríamos comenzar a ver la interacción de la gravedad y la mecánica cuántica", dijo Ye. "efecto físico que ninguna sonda experimental ha medido jamás. Esta técnica de imagen podría convertirse en una herramienta muy importante ".
La investigación es apoyada por el NIST, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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