Wählen der Temperatur, die für eine präzise nukleare Zeitmessung erforderlich ist

Seit Jahrzehnten sind Atomuhren der Höhepunkt der Präzisionszeitmessung, die GPS-Navigation, modernste Physikforschung und Tests grundlegender Theorien ermöglicht. Die Forscher von Jila, die von Jila und NIST Fellow und Professor der Boulder Physiker der Universität von Colorado, Juny Ye, in Zusammenarbeit mit der technischen Universität Wiener, über die Atomübergänge zu etwas, das potenziell noch noch ein Stabiler ist, übertroffen hat: einen nuklearen Takt.

Diese Uhr könnte die Zeitmessung revolutionieren, indem sie einen einzigartigen Übergang mit geringer Energie innerhalb des Kerns eines Thorium-229-Atoms verwenden. Dieser Übergang ist weniger empfindlich gegenüber Umweltstörungen als moderne Atomuhren und wurde für Tests der grundlegenden Physik über das Standardmodell hinaus vorgeschlagen.

Diese Idee ist in Yes Labor nicht neu. In der Tat begannen die Arbeiten im Labor zu nuklearenuhren mit einem wegweisenden Experiment, dessen Ergebnisse als Cover -Artikel von veröffentlicht wurden Natur Im vergangenen Jahr, wo das Team die erste frequenzbasierte, quantenstaatliche Messung des Kernübergangs von Thorium-229 in einem von Thorium dotierten Wirtskristall durchführte. Diese Leistung bestätigte, dass der nukleare Übergang von Thorium mit genügend Präzision gemessen werden könnte, um als Zeitmessung zu verwendet werden.

Um eine genaue Uhr aufzubauen, müssen die Forscher jedoch vollständig charakterisieren, wie der Übergang auf externe Bedingungen, einschließlich der Temperatur, reagiert. Hier ist diese neue Untersuchung – ein Papier für „Herausgeber“ veröffentlicht In Physische Überprüfungsbriefe– Als das Team die Energieverschiebungen in den Thoriumkern untersuchte, als der Kristall, der die Atome enthielt, auf unterschiedliche Temperaturen erhitzt wurde.

„Dies ist der erste Schritt zur Charakterisierung der Systematik des Nuklearuhrs“, sagt der Postdoktorand von Jila, Dr. Jacob Higgins, der Erstautor der Studie. „Wir haben einen Übergang gefunden, der relativ unempfindlich gegenüber Temperaturen ist, genau das ist das, was wir für ein Präzisionszeitmessgerät wollen.“

„Ein Festkörperkernlauf hat ein großes Potenzial, ein robustes und tragbares Timing-Gerät zu werden, das sehr genau ist“, bemerkt Jun Ye. „Wir suchen nach dem Parameterraum für einen kompakten Kernwagen, um 10-18 Bruchfrequenzstabilität für den kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten.“

Die Präzision von Atomuhren

Da der Kern eines Atoms von Umweltstörungen weniger betroffen ist als seine Elektronen, kann ein Kernotten unter Bedingungen Genauigkeit beibehalten, bei denen Atomuhren ins Stocken geraten würden, da die Uhr mehr gegen Rauschen resistent ist. Unter allen anderen Kernen ist Thorium-229 dafür besonders gut geeignet, da es einen nuklearen Übergang mit ungewöhnlich niedriger Energie aufweist, was es ermöglicht, mit ultraviolettem Laserlicht und nicht mit hochenergetischen Gammastrahlen zu untersuchen.

Das YE-Labor hat im Gegensatz zur Messung von Thorium in einem eingeschlossenen Ionensystem einen anderen Ansatz gewählt: Einbettung von Thorium-229 in einen Festkörperwirt-einen Calciumfluorid (CAF2) -Kristall. Diese Methode, die von ihren Mitarbeitern an der Technischen Universität von Wien entwickelt wurde, ermöglicht eine viel höhere Dichte an Thoriumkern als herkömmliche Ionen-Trap-Techniken. Mehr Kerne bedeuten stärkere Signale und eine bessere Stabilität für die Messung des Kernübergangs.

Erhitzen eines Atomlaufs

Um zu untersuchen, wie sich die Temperatur auf diesen Kernübergang auswirkt, kühlten und erhitzten die Forscher den von Thorium dotierten Kristall auf drei verschiedene Temperaturen: 150k (-123 ° C) mit flüssigem Stickstoff, 229 km (-44 ° C) mit einer Mischung aus Trockeneis-Methanol und 293 K (um Raumtemperatur). Unter Verwendung eines Frequenzkammlasers haben sie gemessen, wie sich die Kernübergangsfrequenz bei jeder Temperatur verschob und zwei konkurrierende physikalische Effekte innerhalb des Kristalls enthüllte.

Für einen Effekt, der sich beim Erwärmen des Kristalls ausdehnte, erweiterte es sich, veränderte das Atomgitter auf subtile Weise und verschoben die elektrischen Feldgradienten, die durch die Thoriumkerne erfahren. Dieser elektrische Feldgradient führte dazu, dass der Thoriumübergang in mehrere Spektrallinien aufgeteilt wurde, die sich in unterschiedlichen Richtungen wechselten, als sich die Temperatur änderte. Der zweite Effekt ist, dass die Gitterausdehnung auch die Ladungsdichte von Elektronen im Kristall veränderte, die Wechselwirkungsstärke der Elektronen mit dem Kern modifiziert und die Spektrallinien in die gleiche Richtung bewegt.

Da diese beiden Effekte für die Kontrolle der Thoriumatome kämpften, wurde beobachtet, dass ein bestimmter Übergang weitaus weniger temperaturempfindlich war als die anderen, da sich die beiden Effekte größtenteils ausschlossen. Über den untersuchten vollen Temperaturbereich verlagert sich dieser Übergang um nur 62 Kilohertz, eine Verschiebung mindestens 30 -mal kleiner als bei den anderen Übergängen.

„Dieser Übergang verhält sich auf eine Weise, die für Uhranwendungen wirklich vielversprechend ist“, fügt Chuankun Zhang, einen Jila -Doktorand, hinzu. „Wenn wir es weiter stabilisieren können, könnte es ein echter Spielveränderer bei der Präzisionszeitmessung sein.“

Als nächster Schritt plant das Team, nach einer Temperatur „Sweet Spot“ zu suchen, an der der nukleare Übergang fast völlig unabhängig von der Temperatur bleibt. Ihre anfänglichen Daten deuten darauf hin, dass die Übergangsfrequenz irgendwo zwischen 150 K und 229.000 die Temperaturstabilisierung noch einfacher ist und eine ideale Betriebsbedingung für einen zukünftigen Kernotten ermöglicht.

Anpassen eines Kernottensystems

Der Aufbau einer völlig neuen Art von Uhr erfordert eine einzigartige Geräte, von denen ein Großteil der erforderlichen Anpassungsniveau nicht vorhanden ist. Dank des Instrumentenladens von Jila – mit seinen Maschinisten und Ingenieuren – konnte das Team kritische Komponenten für ihr Experiment erstellen.

„Kim Hagan und der gesamte Instrumentenladen waren während dieses Prozesses sehr hilfreich“, bemerkt Higgins. „Sie bearbeiteten die Kristallmontage, die den von Thorium dotierten Kristall hält, und bauten Teile des Kaltfallensystems, die es uns ermöglichten, die Temperatur genau zu steuern.“

Das In-Haus-Bearbeitungsexpertise ermöglichte es den Forschern, sich schnell auf Designs zu widmen und sicherzustellen, dass selbst kleine Änderungen-wie der Ausstausch des Kristalls-mit Leichtigkeit erfolgen können.

„Wenn wir nur off-the-Shelf-Teile benutzt hätten, hätten wir nicht das gleiche Vertrauen in unser Setup gehabt“, fügt der Studentin von Jila, Tian Ooi, hinzu, ein weiteres Teammitglied. „Die maßgefertigten Stücke aus dem Instrumentenladen sparen uns so viel Zeit.“

Über die Zeit hinaus spüren

Während das Hauptziel dieser Forschung darin besteht, einen stabileren Kernotten zu entwickeln, gehen seine Auswirkungen über die Zeitmessung hinaus. Der Nuklearübergang von Thorium ist sehr unempfindlich gegenüber Störungen in seiner Umgebung, aber hochempfindlich gegenüber Variationen der grundlegenden Kräfte – eine unerwartete Verschiebung seiner Häufigkeit könnte auf neue Physik hinweisen, wie z. B. das Vorhandensein von dunkler Materie.

„Die Sensibilität des nuklearen Übergangs könnte es uns ermöglichen, neue Physik zu untersuchen“, erklärt Higgins. „Abgesehen davon, dass dies nur eine bessere Uhr macht, könnte dies die Türen für völlig neue Wege des Studiums des Universums öffnen.“