Capcana de ioni recent modificată pentru ceasul cu ioni de aluminiu al NIST, cu un detaliu mărit care arată o imagine CCD a perechii de ioni aluminiu-magneziu. Cerculețul indică poziția ionului de aluminiu, care apare întunecat în imagine, deoarece poate fi citit doar prin spectroscopie logică cuantică, folosind ionul de magneziu. Credit: NIST
Un ceas atomic cu precizie fără precedent. Cercetătorii de la Institutul Național de Standardizare și Tehnologie (NIST) din SUA au creat cel mai precis ceas atomic din lume, capabil să măsoare timpul cu o precizie de până la a 19-a zecimală.
Acest „ceas cuantic”, aflat în dezvoltare de peste 20 de ani, se bazează pe tehnici din informatica cuantică și funcționează prin cuplarea unui ion de aluminiu (atom de aluminiu încărcat electric) cu un ion de magneziu.
Această realizare contribuie la efortul internațional de redefinire a secundei cu un nivel de precizie mult superior celui actual, deschizând calea către noi progrese științifice și tehnologice.
Notă: Ce este un ceas?
Un ceas este, în esență, o combinație între două componente: un mecanism care oscilează, adică bate cu un ritm constant, și un dispozitiv care numără aceste bătăi și afișează ora. De-a lungul celei mai mari părți a istoriei, mecanismele oscilatoare au fost obiecte create de om: pendulul unui ceas de perete; cristalul de cuarț din ceasul de mână sau din laptopul tău.
Atomii pot genera „bătăi” aproape „perfecte”. Atomii nu au piese fabricate și nu se uzează și nu încetinesc. Iar toți atomii unui anumit tip sunt identici.
Două criterii esențiale: acuratețe și stabilitate
Ceasurile optice sunt evaluate după două criterii:
• Acuratețea: cât de aproape se apropie ceasul de timpul „adevărat” ideal, denumită și „incertitudinea sistematică”;
• Stabilitatea: cât de eficient măsoară timpul, legat de incertitudinea statistică.
Noul ceas de la NIST stabilește un record mondial în privința acurateței, cu 41% mai precis decât cel mai bun ceas anterior. În plus, este de 2,6 ori mai stabil decât orice alt ceas cu ioni creat până acum. Pentru a atinge acest nivel, cercetătorii au îmbunătățit toate componentele ceasului: laserul, capcana de ioni și camera de vid.
De ce aluminiul este ideal, dar dificil
Ionul de aluminiu este un excelent „ceas” atomic: oscilează cu o frecvență foarte înaltă și stabilă, mai stabilă chiar decât cesiul — atomul pe baza căruia este definită în prezent secunda. În plus, este mai puțin sensibil la influențe externe precum temperatura sau câmpurile magnetice.
Totuși, aluminiul este greu de manipulat cu lasere, ceea ce este esențial pentru funcționarea unui ceas atomic. De aceea, cercetătorii au asociat ionul de aluminiu cu unul de magneziu, ușor de controlat cu lasere. Magneziul nu are calitățile aluminiului, dar îl poate răci (încetini mișcarea) și poate media citirea stării sale. Acest sistem în „pereche” este cunoscut sub numele de „spectroscopie cu logică cuantică”.
Rezolvarea micromișcărilor care afectau precizia
Un obstacol major a fost „capcana de ioni”, unde micromișcările nedorite (numite „micromișcări în exces”) afectau acuratețea ceasului. Aceste mișcări erau cauzate de dezechilibre electrice în interiorul capcanei. Soluția a fost reconstrucția capcanei pe un disc de diamant mai gros, precum și modificarea straturilor de aur de pe electrozi pentru a corecta câmpul electric. Straturile de aur au fost îngroșate pentru a reduce rezistența electrică, stabilizând mișcarea ionilor.
Un nou sistem de vid, fără hidrogen perturbator
Camera de vid în care funcționează ceasul a ridicat alte probleme. Oțelul din construcția camerelor de vid eliberează hidrogen, care se lovea de ioni și perturba funcționarea ceasului. Experimentul putea rula doar 30 de minute înainte de a necesita o reîncărcare a ionilor. Noul design a înlocuit oțelul cu titan, ceea ce a redus cantitatea de gaz de hidrogen de 150 de ori. Astfel, ceasul poate funcționa zile întregi fără întrerupere.
Un laser mai stabil
Pentru a atinge precizia de 19 zecimale, echipa avea nevoie de un laser extrem de stabil. În 2019, ceasul trebuia să funcționeze săptămâni întregi pentru a media fluctuațiile cuantice ale ionilor cauzate de instabilitatea laserului. Soluția a venit de la laboratorul lui Jun Ye de la JILA (institut comun NIST și Universitatea din Colorado Boulder), care deține unul dintre cele mai stabile lasere din lume.
Laserul lui Ye era conectat printr-un cablu de fibră optică de 3,6 km până în laboratorul Tara Fortier de la NIST, unde un „pieptene de frecvență” (frequency comb) a comparat laserul lor cu cel al ceasului cu ioni de aluminiu. Această procedură a transferat stabilitatea laserului lui Ye către ceasul cu aluminiu. Astfel, ionii au putut fi sondați timp de o secundă întreagă, în loc de doar 150 de milisecunde.
Prin această îmbunătățire, durata necesară pentru măsurarea timpului la a 19-a zecimală a scăzut de la trei săptămâni la o zi și jumătate.
Implicații științifice: redefinirea secundei și fizica fundamentală
Noul ceas cu ioni de aluminiu contribuie decisiv la redefinirea internațională a secundei, cu o precizie fără precedent. De asemenea, servește drept platformă pentru testarea conceptelor din fizica cuantică și pentru dezvoltarea tehnologiilor cuantice viitoare.
Poate cel mai promițător aspect este faptul că ceasul devine un instrument viabil pentru:
• geodezie de înaltă precizie (măsurători foarte fine ale formei și gravitației Pământului);
• testarea modelelor dincolo de modelul standard al fizicii, cum ar fi ideea că, în fapt, constantele fundamentale ale naturii ar putea varia în timp.
Ceasul cu logică cuantică bazat pe ionul de aluminiu nu este doar o inovație tehnologică remarcabilă, ci și o poartă către o nouă eră în metrologie, fizica fundamentală și tehnologii cuantice.
Cum se folosesc atomii pentru a crea ceasuri?
> Citiți și: Cum funcționează un ceas atomic?
Traducere și adaptare după Ion Clock Sets New Record
