Telefonunuzdaki saati her kontrol ettiğinizde, çevrimiçi bir işlem yaptığınızda veya bir navigasyon uygulamasını kullandığınızda atom saatlerinin hassasiyetine bağlı olursunuz.
Bir atom saati, kaya gibi sabit frekanslarda doğal olarak salınan atomların “tik taklarına” güvenerek zamanı ölçer. Günümüzün atom saatleri, saniyede 10 milyardan fazla kez tik tak yapan sezyum atomlarını takip ederek çalışmaktadır. Bu tiklerin her biri, mikrodalga frekanslarında senkronize olarak salınan lazerler kullanılarak hassas bir şekilde takip ediliyor.
Bilim insanları, daha yüksek optik frekanslarda lazerlerle izlenebilen, itterbiyum gibi daha hızlı işleyen atomlara dayanan yeni nesil atom saatleri geliştiriyorlar. Sabit tutulabilirse optik atom saatleri, saniyede 100 trilyon kereye kadar çok daha ince zaman aralıklarını izleyebilir.
Şimdi, MIT fizikçileri, atomların saf salınımlarını gizleyen kuantum mekaniğinin etkilerinden kaynaklanan temel bir ölçüm sınırlaması olan “kuantum gürültüsünü” azaltarak optik atom saatlerinin kararlılığını geliştirmenin bir yolunu buldular. Ek olarak ekip, bir saatin lazerinin atomlar üzerindeki önceden ilgisiz olduğu düşünülen etkisinin, lazeri daha da stabilize etmek için kullanılabileceğini keşfetti.
Araştırmacılar, iterbiyum atomlarında lazerin neden olduğu “küresel fazı” kullanmak için bir yöntem geliştirdiler ve bu etkiyi kuantum amplifikasyon tekniğiyle güçlendirdiler. Yeni yaklaşım, optik atom saatinin hassasiyetini iki katına çıkararak, yeni yöntem olmadan aynı kurulumla karşılaştırıldığında saniyede iki kat daha fazla tıklamayı ayırt etmesini sağlıyor. Dahası, yöntemin kesinliğinin atom saatindeki atom sayısı arttıkça istikrarlı bir şekilde artması gerektiğini öngörüyorlar.
Araştırmacılar, küresel faz spektroskopisi adını verdikleri yöntemi bugün dergide yayınlanan bir çalışmada detaylandırıyor Doğa. Saat sabitleme tekniğinin bir gün, her türlü olayı ölçmek için çeşitli yerlere taşınabilen taşınabilir optik atom saatlerine olanak sağlayabileceğini öngörüyorlar.
MIT’de Lester Wolfe Fizik Profesörü, çalışma yazarı Vladan Vuletić, “Bu saatlerle insanlar karanlık maddeyi ve karanlık enerjiyi tespit etmeye ve gerçekten sadece dört temel kuvvetin olup olmadığını test etmeye ve hatta bu saatlerin depremleri tahmin edip edemeyeceğini görmeye çalışıyorlar” diyor. “Yöntemimizin bu saatlerin ihtiyaç duyulan yere taşınabilir ve konuşlandırılabilir hale getirilmesine yardımcı olabileceğini düşünüyoruz.”
Makalenin ortak yazarları, MIT-Harvard Ultrasoğuk Atomlar Merkezi ve MIT Elektronik Araştırma Laboratuvarı üyeleri olan Leon Zaporski, Qi Liu, Gustavo Velez, Matthew Radzihovsky, Zeyang Li, Simone Colombo ve Edwin Pedrozo-Peñafiel’dir.
Zaman geçiyor
2020’de Vuletić ve meslektaşları, saatin atomlarını kuantum olarak dolaştırarak bir atom saatinin daha hassas hale getirilebileceğini gösterdiler. Kuantum dolanıklığı, parçacıkların kolektif, yüksek düzeyde korelasyonlu bir şekilde davranmasının sağlanabildiği bir olgudur. Atomlar kuantum olarak dolanıklaştığında, herhangi bir gürültüyü veya atomların salınımlarının ölçülmesindeki belirsizliği, daha net, daha ölçülebilir bir “işaret” ortaya çıkaracak şekilde yeniden dağıtırlar.
Önceki çalışmalarında ekip, ilk önce soğutup iki kavisli aynanın oluşturduğu bir boşlukta hapsettikleri birkaç yüz iterbiyum atomu arasında kuantum dolaşıklığı tetikledi. Boşluğa, aynalar arasında binlerce kez seken, atomlarla etkileşime giren ve topluluğun dolaşıklaşmasına neden olan bir lazer gönderdiler. Kuantum dolaşıklığın, esas olarak gürültüyü veya lazer ile atomların tik-tak hızları arasındaki belirsizliği azaltarak mevcut atom saatlerinin hassasiyetini artırabileceğini göstermeyi başardılar.
Ancak o zamanlar saatin lazerinin tik-tak kararsızlığı nedeniyle sınırlıydılar. 2022’de aynı ekip, “zamanın tersine çevrilmesi” ile lazer ile atom tik-tak hızları arasındaki farkı daha da artırmanın bir yolunu buldu; bu, arada elde edilen sinyali güçlendirmek için atomları dolaştırıp dolaştırmaya dayanan bir hileydi.
Ancak bu çalışmada ekip hâlâ, iterbiyum atomlarının sağlayabileceği optik frekans standartlarından çok daha düşük frekanslarda salınan geleneksel mikrodalgaları kullanıyordu. Sanki bir tablonun üzerindeki toz tabakasını titizlikle kaldırmışlar, sonra da onu düşük çözünürlüklü bir kamerayla fotoğraflamışlar gibiydi.
Vuletić, “Saniyede 100 trilyon kez hareket eden atomlarınız varsa, bu mikrodalga frekansından 10.000 kat daha hızlıdır” diyor. “O zamanlar bu yöntemleri, sabit tutulması çok daha zor olan yüksek frekanslı optik saatlere nasıl uygulayacağımızı bilmiyorduk.”
Aşama hakkında
Ekip, yeni çalışmalarında, daha önce geliştirdikleri zamanın tersine çevrilmesi yaklaşımını optik atom saatlerine uygulamanın bir yolunu buldu. Daha sonra dolaşık atomların optik frekansına yakın salınım yapan bir lazer gönderdiler.
İlk yazar Zaporski, “Lazer sonuçta atomların tik taklarını miras alıyor” diyor. “Fakat bu mirasın uzun süre dayanabilmesi için lazerin oldukça kararlı olması gerekiyor.”
Araştırmacılar, bilim adamlarının operasyonla alakasız olduğunu varsaydığı bir olgudan yararlanarak optik atom saatinin stabilitesini artırabildiklerini buldular. Işık, dolanık atomlardan gönderildiğinde, etkileşimin atomların enerjilerinin artmasına, daha sonra orijinal enerji durumlarına geri dönmelerine ve hala gidiş dönüşleriyle ilgili anıları taşımalarına neden olabileceğini fark ettiler.
Vuletić, “Hiçbir şey yapmadığımızı düşünebiliriz” diyor. “Atomların genellikle ilgisiz olduğu düşünülen bu küresel aşamasını elde edersiniz. Ancak bu küresel aşama, lazer frekansı hakkında bilgi içerir.”
Yani lazerin atomları orijinal enerji durumuna geri döndürmesine rağmen ölçülebilir bir değişime neden olduğunu ve bu değişimin büyüklüğünün lazerin frekansına bağlı olduğunu fark ettiler.
Ortak yazar Liu, “Sonuçta, lazer frekansı ile atomik geçiş frekansı arasındaki farkı arıyoruz” diye açıklıyor. “Bu fark küçük olduğunda kuantum gürültüsü tarafından bastırılıyor. Bizim yöntemimiz bu farkı bu kuantum gürültüsünün üzerine çıkarıyor.”
Ekip, deneylerinde bu yeni yaklaşımı uyguladı ve dolaşma yoluyla optik atom saatinin hassasiyetini iki katına çıkarabildiklerini buldu.
Zaporski, “Artık optik frekanstaki veya saatin ilerleme frekansındaki neredeyse iki kat daha küçük bir farkı kuantum gürültü sınırına girmeden çözebildiğimizi gördük” diyor. “Atom saatlerini çalıştırmak genel olarak zor bir sorun olsa da, yöntemimizin teknik faydaları bunu kolaylaştıracak ve bunun kararlı, taşınabilir atom saatlerini mümkün kılabileceğini düşünüyoruz.”
