In den letzten Jahren haben viele Physiker weltweit Atomuhren eingeführt, Systeme zur Messung des Zeitverlaufs, die auf Quantenzuständen von Atomen basieren. Diese Uhren können zahlreiche wertvolle Anwendungen haben, beispielsweise in der Entwicklung von Satelliten- und Navigationssystemen.
In letzter Zeit haben einige Forscher auch die mögliche Entwicklung molekularer Uhren untersucht, Systeme, die Atomuhren ähneln, aber auf einfachen Molekülen basieren. Ein Team der Columbia University und der University of Warsaw hat kürzlich eine hochgenaue molekulare Uhr entwickelt, die zur Untersuchung neuer physikalischer Phänomene verwendet werden könnte.
„Unser jüngstes Papier ist das Ergebnis einer mehrjährigen Anstrengung, eine sogenannte molekulare Uhr zu schaffen“, sagte Tanya Zelevinsky, eine der Forscherinnen, die die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Inspiriert wurde es von den schnellen Fortschritten bei der Präzision von Atomuhren und der Erkenntnis, dass molekulare Uhren auf einem anderen „Tick“-Mechanismus beruhen und daher empfindlich auf komplementäre Phänomene reagieren könnten. Eine davon ist die Idee, dass die fundamentalen Konstanten der Natur kann sich im Laufe der Zeit sehr leicht ändern. Der andere ist die Möglichkeit, dass die Schwerkraft zwischen sehr kleinen Objekten anders sein kann als das, was wir in größeren Maßstäben erleben.“
Die von Zelevinsky und ihren Kollegen geschaffene molekulare Uhr basiert auf dem zweiatomigen Molekül Sr2, das strukturell zwei winzigen Kugeln ähnelt, die durch eine Feder verbunden sind. Die Uhr verwendet speziell die Schwingungsmodi dieses Moleküls als präzise Frequenzreferenz, die es ihr wiederum ermöglicht, die Zeit im Auge zu behalten.
„Unsere Uhr erfordert die Verwendung von Lasern, um Atome nahe dem absoluten Nullpunkt zu kühlen und sie in optischen Fallen zu halten, sie dazu zu bringen, sich zu Molekülen zu verbinden, und sie mit hochpräzisen ‚Uhr‘-Lasern zu bestrahlen, um tatsächlich eine Messung durchzuführen“, erklärte Zelevinsky. „Einige der Vorteile der molekularen Uhr sind ihre sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber magnetischen oder elektrischen Streufeldern und die sehr lange natürliche Lebensdauer der Schwingungsmoden.“
In ihrer Studie veröffentlicht in Körperliche Überprüfung X, bewerteten Zelevinsky und ihre Kollegen die Genauigkeit ihrer molekularen Uhr in einer Reihe von Tests und maßen ihre sogenannte systematische Unsicherheit. Sie fanden heraus, dass ihr vorgeschlagenes Design Fehlerquellen erheblich minimierte und ihre Uhr eine systematische Gesamtunsicherheit von 4,6 × 10−14 erreichte, was eine bemerkenswert hohe Präzision aufwies.
„Unsere jüngste Arbeit setzt den Maßstab für die Präzision der Molekülspektroskopie mit dem beobachteten Maß der Spitzenschärfe – oder ihrem Qualitätsfaktor – von 3 Billionen“, sagte Zelevinsky. „Es beleuchtet auch die Effekte, die diese Präzision einschränken, insbesondere den eventuellen Verlust von Molekülen durch Streuung des Lichts, in dem sie eingefangen sind. Dies inspiriert uns, nach Verbesserungen in der optischen Einfangstrategie zu suchen.“
Die von diesem Forscherteam geschaffene molekulare Schwingungsuhr könnte zu einem Standard für Terahertz-Frequenzanwendungen werden und möglicherweise auch die Entwicklung neuer molekularer Spektroskopie-Tools beeinflussen. Sein Design könnte auch geändert werden, indem die Sr2-Moleküle durch andere Isotopenvarianten (mit unterschiedlicher Masse) ersetzt werden, was die laufende Suche nach neuen physikalischen Wechselwirkungen unterstützen könnte.
„In Zukunft hoffen wir, die molekulare Uhr anwenden zu können, um die molekulare Struktur mit höchster Präzision zu verstehen und mögliche Signaturen der nicht-newtonschen Gravitation im Nanometerbereich zu untersuchen“, fügte Zelevinsky hinzu.
Mehr Informationen:
KH Leung et al, Terahertz Vibrational Molecular Clock with Systematic Uncertainty at the 10−14 Level, Körperliche Überprüfung X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011047
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