Oeuvre réalisée avec la nouvelle technique d'imagerie de JILA, qui mesure rapidement et précisément le comportement quantique dans une horloge atomique. Les images sont des représentations en fausses couleurs d'atomes détectés à l'état fondamental (bleu) ou à l'état excité (rouge). La région blanche représente un fin mélange d'atomes dans les deux états, qui crée du "bruit" quantique dans l'image. Cela se produit parce que tous les atomes ont été initialement préparés dans un état de superposition quantique, ou les deux états fondamental et excité simultanément, et la mesure d'imagerie provoque un effondrement dans l'un des deux états. La technique d'imagerie contribuera à améliorer la précision de l'horloge, ajouter de nouveaux détails au niveau atomique aux études de phénomènes tels que le magnétisme et la supraconductivité et, à l'avenir, peut-être permettre aux scientifiques de « voir » une nouvelle physique. Crédit :Marti/JILA
Les scientifiques de la JILA ont inventé une nouvelle technique d'imagerie qui produit des des mesures précises du comportement quantique dans une horloge atomique sous la forme d'art visuel quasi instantané.
La technique combine la spectroscopie, qui extrait des informations des interactions entre la lumière et la matière, avec microscopie haute résolution.
Comme décrit dans Lettres d'examen physique , la méthode JILA fait des cartes spatiales des déplacements d'énergie parmi les atomes dans une horloge atomique à réseau de strontium en trois dimensions, fournir des informations sur l'emplacement et le niveau d'énergie de chaque atome, ou état quantique.
La technique mesure rapidement les effets physiques importants pour les horloges atomiques, améliorant ainsi la précision de l'horloge, et il peut ajouter de nouveaux détails au niveau atomique aux études de phénomènes tels que le magnétisme et la supraconductivité. À l'avenir, la méthode peut permettre aux scientifiques de voir enfin une nouvelle physique telle que le lien entre la physique quantique et la gravité.
JILA est géré conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l'Université du Colorado Boulder.
"Cette technique nous permet d'écrire une belle 'musique' avec de la lumière laser et des atomes, puis mapper cela dans une structure et la congeler comme une pierre afin que nous puissions regarder des atomes individuels en écoutant les différentes tonalités du laser, lire directement comme une image, ", a déclaré Jun Ye, membre du JILA/NIST.
Les atomes sont dans un gaz dégénéré dit quantique, dans lequel un grand nombre d'atomes interagissent les uns avec les autres. Ce phénomène de « nombre de corps quantique » étend la précision des mesures à de nouveaux extrêmes.
Pour préparer des atomes pour un coup de beauté, les chercheurs utilisent une impulsion laser pour conduire environ 10, 000 atomes de strontium de leur état fondamental de basse énergie à un état de haute énergie, état excité. Puis, un laser bleu placé sous le réseau est projeté vers le haut verticalement à travers les atomes, et un appareil photo prend une photo de l'ombre projetée par les atomes, qui est fonction de la quantité de lumière qu'ils absorbent. Les atomes de l'état fondamental absorbent plus de lumière.
Les images résultantes sont des représentations en fausses couleurs d'atomes à l'état fondamental (bleu) et à l'état excité (rouge). La région blanche représente des atomes dans un mélange fin d'environ 50 pour cent de rouge et 50 pour cent de bleu, créant un effet tacheté. Cela se produit parce que ces atomes ont été initialement préparés dans un état de superposition quantique, ou les deux états fondamental et excité simultanément, et la mesure d'imagerie provoque un effondrement dans l'un des deux états, ce qui crée du "bruit" dans l'image.
A titre de démonstration, l'équipe JILA a créé une série d'images pour cartographier de petits décalages de fréquence, ou des fractions d'atomes à l'état excité, dans différentes régions du réseau. La possibilité de faire des comparaisons simultanées améliore la précision et la vitesse des mesures d'un groupe d'atomes. Les chercheurs ont rapporté avoir atteint une précision record en mesurant la fréquence de 2,5 x 10-19 (erreur de seulement 0,25 partie par milliard de milliards) en 6 heures. La spectroscopie d'imagerie devrait grandement améliorer la précision de l'horloge atomique JILA, et d'autres horloges atomiques en général.
La spectroscopie d'imagerie renseigne sur l'environnement local des atomes, similaire à l'incroyable résolution offerte par la microscopie à effet tunnel. Jusque là, le procédé a été utilisé pour produire des images bidimensionnelles, mais il pourrait faire des images 3D basées sur des mesures couche par couche comme cela se fait en tomographie, qui combine plusieurs coupes transversales d'objets solides, Vous avez dit.
Une sorte de cristal artificiel, le réseau d'atomes pourrait également être utilisé comme capteur magnétique ou gravitationnel pour tester l'interaction entre différents domaines de la physique. Ye est très enthousiasmé par la possibilité future d'utiliser les atomes de l'horloge comme capteur de gravité, pour voir comment la mécanique quantique, qui opère à de très petites échelles spatiales, interagit avec la relativité générale, la théorie de la gravité, une force macroscopique.
"Alors que l'horloge s'améliore au cours des 20 prochaines années, ce petit cristal pourrait non seulement déterminer comment la gravité affecte la fréquence, mais nous pourrions aussi commencer à voir l'interaction de la gravité et de la mécanique quantique, " dit Ye. " C'est un effet physique qu'aucune sonde expérimentale n'a jamais mesuré. Cette technique d'imagerie pourrait devenir un outil très important."
