L'horloge atomique à gaz quantique tridimensionnelle (3D) de JILA se compose d'une grille de lumière formée de trois paires de faisceaux laser. Plusieurs lasers de différentes couleurs sont utilisés pour refroidir les atomes, les emprisonner dans une grille de lumière, et sondez-les pour le fonctionnement de l'horloge. Un faisceau laser bleu excite un nuage en forme de cube d'atomes de strontium. Les atomes de strontium sont fortement fluorescents lorsqu'ils sont excités par la lumière bleue, comme on le voit dans le coin supérieur droit derrière la fenêtre à vide. Crédit :G.E. Marti/JILA
Les physiciens de la JILA ont créé un tout nouveau design pour une horloge atomique, dans lequel les atomes de strontium sont entassés dans un petit cube tridimensionnel (3-D) à 1, 000 fois la densité des horloges unidimensionnelles (1-D) précédentes. Ce faisant, ils sont les premiers à exploiter le comportement ultra-contrôlé d'un "gaz quantique" pour en faire un appareil de mesure pratique.
Avec autant d'atomes complètement immobilisés en place, L'horloge à gaz quantique cubique de JILA établit un record pour une valeur appelée "facteur de qualité" et la précision de mesure qui en résulte. Un facteur de qualité important se traduit par un haut niveau de synchronisation entre les atomes et les lasers utilisés pour les sonder, et rend les « ticks » de l'horloge purs et stables pendant une durée inhabituellement longue, obtenant ainsi une plus grande précision.
Jusqu'à maintenant, chacun des milliers d'atomes "à retardement" dans les horloges avancées se comporte et est mesuré en grande partie indépendamment. En revanche, la nouvelle horloge à gaz quantique cubique utilise une collection d'atomes interagissant à l'échelle mondiale pour limiter les collisions et améliorer les mesures. La nouvelle approche promet d'inaugurer une ère de mesures et de technologies considérablement améliorées dans de nombreux domaines basées sur des systèmes quantiques contrôlés.
La nouvelle horloge est décrite dans le numéro du 6 octobre de Science .
"Nous entrons dans une période vraiment passionnante où nous pouvons concevoir un état de la matière quantique à des fins de mesure particulières, " a déclaré le physicien Jun Ye du National Institute of Standards and Technology (NIST). Ye travaille au JILA, qui est exploité conjointement par le NIST et l'Université du Colorado Boulder.
La pièce maîtresse de l'horloge est un état inhabituel de la matière appelé gaz de Fermi dégénéré (un gaz quantique pour les particules de Fermi), créé pour la première fois en 1999 par la défunte collègue de Ye, Deborah Jin. Toutes les horloges atomiques antérieures ont utilisé des gaz thermiques. L'utilisation d'un gaz quantique permet de quantifier toutes les propriétés des atomes, ou limité à des valeurs spécifiques, pour la première fois.
"Le potentiel le plus important de l'horloge à gaz quantique 3-D est la capacité d'augmenter le nombre d'atomes, ce qui conduira à un énorme gain de stabilité, " Tu as dit. " Aussi, nous pourrions atteindre la condition idéale de fonctionnement de l'horloge avec son temps de cohérence complet, qui fait référence à la durée pendant laquelle une série de ticks peut rester stable. La capacité d'augmenter à la fois le nombre d'atomes et le temps de cohérence rendra cette horloge de nouvelle génération qualitativement différente de la génération précédente."
Jusqu'à maintenant, les horloges atomiques ont traité chaque atome comme une particule quantique distincte, et les interactions entre les atomes posaient des problèmes de mesure. Mais une collection conçue et contrôlée, un "système quantique à plusieurs corps, " organise tous ses atomes selon un schéma particulier, ou corrélation, pour créer l'état d'énergie global le plus bas. Les atomes s'évitent alors, quel que soit le nombre d'atomes ajoutés à l'horloge. Le gaz des atomes se transforme effectivement en un isolant, qui bloque les interactions entre les constituants.
Le résultat est une horloge atomique qui peut surpasser tous les prédécesseurs. Par exemple, la stabilité peut être considérée comme la précision avec laquelle la durée de chaque tick correspond à tous les autres ticks, qui est directement liée à la précision de mesure de l'horloge. Par rapport aux précédentes horloges 1D de Ye, la nouvelle horloge à gaz quantique 3D peut atteindre le même niveau de précision plus de 20 fois plus rapidement en raison du grand nombre d'atomes et des temps de cohérence plus longs.
Un gaz de Fermi dégénéré quantique d'atomes de Sr confinés dans un réseau optique tridimensionnel démontre une précision de mesure à la 19e décimale pour les horloges atomiques. Crédit :Le groupe Ye et Steve Burrows, JILA
Les données expérimentales montrent que l'horloge à gaz quantique 3D a atteint une précision de seulement 3,5 parties d'erreur en 10 quintillions (1 suivi de 19 zéros) en environ 2 heures, ce qui en fait la première horloge atomique à atteindre ce seuil (19 zéros). « Cela représente une amélioration significative par rapport à toutes les démonstrations précédentes, " Tu as dit.
Le plus vieux, La version 1-D de l'horloge JILA était, jusqu'à maintenant, l'horloge la plus précise au monde. Cette horloge contient des atomes de strontium dans un réseau linéaire de pièges en forme de galette formés par des faisceaux laser, appelé réseau optique. La nouvelle horloge à gaz quantique 3D utilise des lasers supplémentaires pour piéger les atomes le long de trois axes afin que les atomes soient maintenus dans un arrangement cubique. Cette horloge peut maintenir des ticks stables pendant près de 10 secondes avec 10, 000 atomes de strontium piégés à une densité supérieure à 10 000 milliards d'atomes par centimètre cube. À l'avenir, l'horloge peut être capable de sonder des millions d'atomes pendant plus de 100 secondes à la fois.
Horloges optiques en treillis, malgré leurs performances élevées en 1-D, doivent faire face à un compromis. La stabilité de l'horloge pourrait être encore améliorée en augmentant le nombre d'atomes, mais une densité d'atomes plus élevée favorise aussi les collisions, décaler les fréquences auxquelles les atomes tic-tac et réduire la précision de l'horloge. Les temps de cohérence sont également limités par les collisions. C'est là que les avantages de la corrélation à plusieurs corps peuvent aider.
La conception en treillis 3D (imaginez une grande boîte à œufs) élimine ce compromis en maintenant les atomes en place. Les atomes sont des fermions, une classe de particules qui ne peuvent pas être dans le même état quantique et le même emplacement à la fois. Pour un gaz quantique de Fermi dans les conditions de fonctionnement de cette horloge, la mécanique quantique favorise une configuration où chaque site individuel du réseau est occupé par un seul atome, ce qui empêche les décalages de fréquence induits par les interactions atomiques dans la version 1-D de l'horloge.
Les chercheurs du JILA ont utilisé un laser ultra-stable pour atteindre un niveau record de synchronisation entre les atomes et les lasers, atteignant un facteur de qualité record de 5,2 quadrillions (5,2 suivis de 15 zéros). Le facteur de qualité fait référence à la durée pendant laquelle une oscillation ou une forme d'onde peut persister sans se dissiper. Les chercheurs ont découvert que les collisions d'atomes étaient réduites de telle sorte que leur contribution aux décalages de fréquence dans l'horloge était bien moindre que dans les expériences précédentes.
"Cette nouvelle horloge au strontium utilisant un gaz quantique est un succès précoce et étonnant dans l'application pratique de la 'nouvelle révolution quantique', ' parfois appelé 'quantum 2.0', " a déclaré Thomas O'Brian, chef de la division de physique quantique du NIST et superviseur de Ye. "Cette approche est très prometteuse pour le NIST et le JILA pour exploiter les corrélations quantiques pour un large éventail de mesures et de nouvelles technologies, bien au-delà du timing."
En fonction des objectifs de mesure et des applications, Les chercheurs du JILA peuvent optimiser les paramètres de l'horloge tels que la température de fonctionnement (10 à 50 nanokelvins), numéro d'atome (10, 000 à 100, 000), et la taille physique du cube (20 à 60 micromètres, ou millionièmes de mètre).
Les horloges atomiques font depuis longtemps avancer la frontière de la science de la mesure, non seulement dans le chronométrage et la navigation, mais aussi dans les définitions d'autres unités de mesure et d'autres domaines de recherche tels que les recherches sur table pour la "matière noire" manquante dans l'univers.
Le Bureau national des normes, maintenant NIST, a inventé la première horloge atomique en 1948.
