Atomers kollektive lys skal skabe verdens hurtigste atomur

Natur og Univers

International postdoc

2020

Et sekunds længde er defineret af svingninger i det svage lys, atomer udsender, når de går fra en energitilstand til en anden. Svimlende 400.000 milliarder svingninger i lyset fra et strontiumatom. Så lang tid varer et sekund.

Svingningerne kan man måle i atomure. Satellitter bruger atomure til at måle tiden og derefter korrigere for tyngdekraftens påvirkning af tiden. GPS-systemer er ligeledes baseret på satellitter med atomure. Men de mest præcise atomure er i dag meget store, og de er dage eller måneder om at måle påvirkning af tiden på meget lille skala.

Man kan hurtigt måle forskelle i tiden mellem et atomur, der står på jorden og et atomur, der står oppe i et højhus for eksempel, men hvis du vil se forskelle helt ned på centimeter skala, så tager det lang tid,  forklarer postdoc på Niels Bohr Instituttet Stefan Alaric Schäffer. 

Han skal stå i spidsen for forskningsprojektet ‘An active optical atomic clock based on superradiant lasing in ultracold atoms - OverCLOCK’, som har fået støtte fra Danmarks Frie Forskningsfond.

Sammen med forskere fra Amsterdam Universitet skal han gennem atomeksperimenter realisere en atomlaser, som kan bruge det lys, strontium-atomer udsender, til at måle tidens gang ekstremt præcist.

Det vil de gøre ved at vil bringe flere millioner strontiumatomer i en tilstand af sammenfiltring. 

Det betyder, at det svage lys de mange atomer hver især udsender, når de skifter tilstand, bliver synkroniseret og kraftigt nok til, at man kan måle lyset og de 400.000 milliarder svingninger i sekundet.

Der findes allerede strontiumatomure i dag som ikke er baseret på sammenfiltring, men de eksisterende systemer har en del begrænsninger. 

- De er for eksempel meget store. For at man kan måle en overgang i atomet, skal det være helt upåvirket af ydre faktorer, så man skal fange og laser-køle atomerne. Derefter kan man måle med dem ved at lyse på dem med en laser. Men man kan kun måle på dem en gang i sekundet, og det begrænser muligheden for at se ændringer på kortere tidsskala, siger Stefan Alaric Schäffer.

Han har lavet indledende forsøg, hvor det er lykkedes, at få strontiumatomerne til at synkronisere deres overgange og dermed svingningerne i det lys, de udsender. Men de udsender kun ét lysglimt, når de har ændret energitilstand.

Så kommer de i en ny tilstand og forsvinder ud af eksperimentet. Det skyldes, at de bliver varmet en lille smule op, når de udsender lys.

- Første udfordring bliver at sørge for at der hele tiden er atomer til stede, så vi kan skabe en konstant strøm af lys, forklarer Stefan Alaric Schäffer.

For at styre atomernes tilstand bruger forskerne laserlys til at køle dem ned.

- Når det lykkes at skabe en konstant strøm af lys fra atomerne, så er næste skridt at sikre præcisionen. Ved at gøre det bør man kunne opnå målinger der er mindst lige så præcise som nuværende atomure, og kan dermed konkurrere med dem, siger han.