En ny typ av atomklocka är mer exakt än någon ännu byggd, med förmågan att kryssa smidigt i tusen gånger universumets livstid. Förutom att vara den bästa tidhållaren hittills, kan den nya så kallade kvantgasklockan en dag erbjuda insikter om ny fysik.
Forskare vid JILA (tidigare även känd som Joint Institute for Laboratory Astrophysics) använde en kombination av strontiumatomer och en rad laserstrålar för att skapa en klocka så exakt att det kanske kunde mäta tyngdkraftsinteraktion i mindre skalor än någonsin tidigare . Genom att göra det kan det kasta ljus på arten av dess förhållande till andra grundläggande krafter, ett mysterium som har förbryllade fysiker i årtionden.
Atomklockor mäter tid genom att använda vibrationer från atomer som en mycket exakt metronom. Aktuella atomklockor är avstängda av sekunder under tiotals miljarder år. Denna senaste iteration förblir exakt nog att den kommer att vara avstängd med bara 1 sekund under cirka 90 miljarder år.
För att få den typen av precision, kylde teamet strontiumatomer för att hindra dem från att röra sig och stöta på varandra - något som kan kasta bort deras vibrationer. Först slog de atomerna med lasrar. När de träffades av fotonerna i lasrarna absorberade atomerna sin energi och släppte ut en foton, förlorade kinetisk energi och blev kallare. Men det kylde dem inte tillräckligt. Så för att få dem ännu kallare, förlitade teamet sig på förångningskylning, vilket tillät några av strontiumatomerna att avdunsta och ta emot ännu mer energi. De satt kvar med mellan 10.000 och 100.000 atomer, vid en temperatur på bara 10 till 60 miljarder av en grad över absolut noll, eller minus 459 grader Fahrenheit (minus 273 grader Celsius).
De kalla atomerna fångades av ett 3D-arrangemang av lasrar. Strålarna sattes upp för att störa varandra. När de gjorde det skapade de regioner med låg och hög potential som kallas potentiella brunnar. Brunnarna fungerar som staplade äggkartonger, och var och en har en strontiumatom.
Atomerna blev så kalla att de slutade interagera med varandra - till skillnad från en normal gas, där atomer springer runt slumpmässigt och hoppar av sina kamrater, så kylda atomer förblir ganska stilla. De börjar sedan bete sig på ett sätt som är mindre som en gas och mer som ett fast ämne, även om avståndet mellan dem är mycket större än vad som finns i fast strontium.
"Ur denna synvinkel är det ett mycket intressant material; det har nu egenskaper som om det är ett fast tillstånd", berättade projektledaren Jun Ye, en fysiker vid National Institute of Standards and Technology, Live Science. (JILA drivs gemensamt av NIST och University of Colorado i Boulder.)
Vid denna tidpunkt var klockan redo att börja hålla tiden: Forskarna slog på atomerna med en laser, spännande en av elektronerna som kretsar kring strontiumets kärna. Eftersom elektroner styrs av kvantmekanikens lagar, kan man inte säga vilken energinivå elektronen är i när den är upphetsad, och kan bara säga att den har en sannolikhet att vara i ett eller annat. För att mäta elektronen, avfyrade de efter 10 sekunder en annan laser på atomen. Den lasern mäter var elektronen är belägen runt kärnan, när en foton från lasern släpps ut av atomen - och hur många gånger den svängde under den perioden (de 10 sekunderna).
Genom att mäta denna mätning över tusentals atomer är det som ger denna atomklocka dess precision, precis som att medelvärdena för bultarna av tusentals identiska pendlar kommer att ge en en mer exakt uppfattning om vilken period pendeln bör vara.
Fram till nu hade atomklockor bara enstaka "strängar" av atomer i motsats till ett 3D-galler, så de kunde inte ta så många mätningar som den här, sa Ye.
"Det är som att jämföra klockor," sa Ye. "Med hjälp av den här analogin startar laserpulsen på atomerna en sammanhängande svängning. Tio sekunder senare sätter vi på pulsen igen och frågar elektron: 'Var är du?'" Den mätningen är i genomsnitt över tusentals atomer.
Att hålla elektroner i det där mellanläget är svårt, sa Ye, och det är en annan anledning till att atomerna måste vara så kalla, så att elektronerna inte röra vid något annat.
Klockan kan väsentligen mäta sekunder ner till 1 del i biljoner. Denna förmåga gör mer än en riktigt bra tidhållare; det kan hjälpa till i sökningar efter fenomen som mörk materia, sa Ye. Till exempel kan man inrätta ett experiment i rymden med en sådan exakt timer för att se om atomer beter sig annorlunda än vad konventionella teorier förutspår.
Studien är detaljerad i 6 oktober-numret av tidskriften Science.
