Η χρήση ενός ειδικού τύπου ατόμου θα μπορούσε να κάνει ακόμη και τα πιο προηγμένα ατομικά ρολόγια πιο ακριβή, πιστεύουν οι επιστήμονες.
Εάν επιβεβαιωθεί, αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο ακριβή συστήματα GPS και καλύτερα ατομικά ρολόγια για χρήση στα διαστημικά ταξίδια – θα μπορούσε ακόμη και να οδηγήσει σε συσκευές που μπορούν να ανιχνεύσουν σεισμούς και ηφαιστειακές εκρήξεις με μεγαλύτερη ακρίβεια. Και περιέργως, ένας από τους ερευνητές πίσω από αυτήν την εξέλιξη έχει ένα πολύ γνωστό όνομα που βασίζεται σε μια κατάλληλη οικογενειακή κληρονομιά που έχει τις ρίζες του στην αιχμή της πυρηνικής επιστήμης: τον Έλιοτ Μπορ. Είναι δισέγγονος του Νιλς Μπορ.
Σχετίζεται με: Τα ατομικά ρολόγια στη Γη θα μπορούσαν να αποκαλύψουν μυστικά για τη σκοτεινή ύλη σε όλο το σύμπαν
Από όλες τις μονάδες μέτρησης που χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα, η δεύτερη είναι η πιο ακριβής καθορισμένη, μια θεμελιώδης μονάδα χρόνου. Κρίσιμο σε αυτό και σε όλους τους τύπους μετρήσεων χρόνου σε όλη την ιστορία είναι οι διαφορετικοί τύποι ταλαντώσεων. Ακριβώς όπως τα παππούδες ρολόγια χρησιμοποιούν τις ταλαντώσεις ενός εκκρεμούς για τη μέτρηση του χρόνου, τα ατομικά ρολόγια ορίζουν ένα δευτερόλεπτο ως 9.192.631.770 μικροκυματικές ταλαντώσεις ενός ατόμου καισίου που απορροφά την ακτινοβολία μικροκυμάτων μιας συγκεκριμένης συχνότητας.
Πολλά σύγχρονα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούν ταλαντώσεις ατόμων στροντίου αντί για καίσιο για τη μέτρηση του χρόνου. Το πιο ακριβές από αυτά είναι ακριβές στο 1/15.000.000.000 του δευτερολέπτου. Αυτό σημαίνει ότι ακόμα κι αν το ρολόι έτρεχε από την αρχή του χρόνου πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, δεν θα είχε χάσει ή κερδίσει ένα ολόκληρο δευτερόλεπτο. Ωστόσο, υπάρχει ακόμη περιθώριο βελτίωσης στα περισσότερα ατομικά ρολόγια, τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της Συντονισμένης Παγκόσμιας Ώρας (UTC) από τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο και για τη διασφάλιση του συγχρονισμού των κινητών μας τηλεφώνων, των υπολογιστών και της τεχνολογίας GPS.
Αυτό συμβαίνει επειδή το λέιζερ που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των δονήσεων των ατόμων στα ατομικά ρολόγια θερμαίνει αυτά τα άτομα έτσι ώστε να φύγουν από το σύστημα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αποκλίσεις, ακόμη και αν είναι εξαιρετικά μικρές. Ωστόσο, ερευνητές στο Ινστιτούτο Niels Bohr πιστεύουν ότι έχουν βρει έναν τρόπο να εξαλείψουν πλήρως το λέιζερ, αποφεύγοντας έτσι την ατομική θέρμανση και την πιθανή υποβάθμιση με ακρίβεια. Είναι ένα ινστιτούτο που πήρε το όνομά του από τον προπάππου του Έλιοτ Μπορ και μέλος του οποίου είναι και ο ίδιος ο Μπορ.
«Βρήκαμε ότι είναι δυνατό να διαβαστεί η συλλογική κατάσταση ενός συνόλου ατόμων, όπως απαιτείται σε ατομικά ρολόγια και αισθητήρες, χρησιμοποιώντας υπερακτινοβολία πιο γρήγορα και με ελάχιστη θέρμανση», δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής Έλιοτ Μπορ, ο οποίος απέκτησε το διδακτορικό του. Συνεργάτης στο ινστιτούτο, είπε το Space.com. «Για την πειραματική γεωμετρία που επιλέξαμε, υπάρχει ένα όριο για την εμφάνιση υπερακτινοβολίας και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το όριο σε μια ακολουθία ρολογιού».
Τα ατομικά ρολόγια θα μπορούσαν να είναι πιο δροσερά
Στα σημερινά ατομικά ρολόγια, περίπου 300 εκατομμύρια θερμά άτομα στροντίου φτύνονται σε μια μαγνητο-οπτική παγίδα σε ένα θάλαμο κενού. Αυτή η παγίδα είναι μια σφαίρα ατόμων που ψύχονται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, τη θεωρητική θερμοκρασία στην οποία θα έπαυε κάθε ατομική κίνηση. Λόγω αυτών των θερμοκρασιών, τα εισαγόμενα άτομα είναι σχεδόν ακίνητα. Αυτό δίνει τη δυνατότητα σε δύο καθρέφτες με φως ενδιάμεσα να καταγράφουν τις δονήσεις τους.
«Στα παραδοσιακά ατομικά ρολόγια, η ανίχνευση θερμαίνει τα άτομα, επομένως τα άτομα πρέπει να επαναφορτιστούν», είπε ο Bohr. “Αυτή η φόρτωση διαρκεί λίγο και προκαλεί διακοπή λειτουργίας στον κύκλο του ατομικού ρολογιού, γεγονός που περιορίζει την ακρίβεια.”
Ωστόσο, τα «σταματημένα» άτομα της ομάδας που έχουν κρυώσει τόσο πολύ μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν. Αυτό σημαίνει ότι δεν θα έπρεπε να αντικαθίστανται τόσο συχνά, με αποτέλεσμα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια.
Ο Bohr εξήγησε ότι τα υπερακτινοβολούμενα άτομα είναι άτομα που υπάρχουν σε μια συλλογική κβαντική κατάσταση και διεγείρονται από την προσθήκη ενέργειας με τη μορφή φωτονίων ή σωματιδίων φωτός. Όταν τα άτομα απελευθερώνουν την ενέργεια που προκαλείται από τα φωτόνια, ή «αποσυντίθενται», όλα εκπέμπουν φως προς την ίδια κατεύθυνση και με αυξημένη ταχύτητα.
«Δεν μπορείτε να διακρίνετε ουσιαστικά ποιο άτομο έχει εκπέμψει ποιο φωτόνιο. Τα εξέδωσαν μαζί, συλλογικά», πρόσθεσε. «Αυτός ο αυξημένος ρυθμός εκπομπής επιτρέπει πολύ ταχύτερη εκπομπή φωτονίων στον τύπο των ατομικών μεταπτώσεων που χρησιμοποιούνται στα ατομικά ρολόγια».
Αυτό το ισχυρό φωτεινό σήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάγνωση της ατομικής κατάστασης όλων των ατόμων στροντίου, επομένως δεν απαιτείται λέιζερ. Και δεδομένου ότι αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα χωρίς τα υπερ-ακτινοβόλα άτομα να θερμανθούν περισσότερο από ελάχιστα, δεν χρειάζεται να αντικατασταθούν.
Η εξάλειψη του λέιζερ δεν θα οδηγούσε μόνο σε πιο ακριβή ατομικά ρολόγια, αλλά θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε απλούστερες και πιο φορητές συσκευές.
«Τα σύγχρονα ατομικά ρολόγια είναι τώρα τόσο ακριβή που είναι ευαίσθητα στη βαρύτητα», είπε ο Bohr. «Υπάρχουν προτάσεις ότι μπορούμε να τοποθετήσουμε στρατηγικά ατομικά ρολόγια που είναι φορητά και αρκετά ακριβή και να προβλέπουν καλύτερα τους σεισμούς και τις ηφαιστειακές εκρήξεις μετρώντας ορισμένες διακυμάνσεις της βαρύτητας».
Η επαναστατική ατομική επιστήμη είναι η οικογενειακή επιχείρηση
Προερχόμενος από μια σειρά επιστημόνων που έχουν επηρεάσει σημαντικά την κατανόησή μας για τον υποατομικό κόσμο, ο Bohr μπορεί κάλλιστα να έχει αυτό το είδος έρευνας στο αίμα του. Ο πιο διάσημος σε αυτή τη γραμμή είναι ο προπάππους του Niels Bohr, ένας από τους πατέρες της κβαντικής φυσικής και ένας επιστήμονας που συνέβαλε σημαντικά στην κατανόηση της ατομικής δομής, χωρίς τον οποίο δεν θα ήταν δυνατή η έρευνα όπως αυτή.
Το 1913, ο Niels Bohr, μαζί με τον Ernest Rutherford, παρουσίασαν ένα μοντέλο του ατόμου που πρότεινε ότι ήταν ένας πυκνός πυρήνας που περιβάλλεται από ηλεκτρόνια σε τροχιά. Αν και αυτό το «μοντέλο του Bohr» του ατόμου θεωρείται τώρα σχετικά απλό σε σύγκριση με τα λεπτομερή διαγράμματα που έχουμε σήμερα, 111 χρόνια μετά την εισαγωγή του, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για να διδάξει την έννοια του ατόμου σε μαθητές σε τάξεις σε όλο τον κόσμο για να φέρει πιο κοντά .
Η σύνδεση της οικογένειας Eliot Bohr με την ατομική δομή είναι επίσης βαθύτερη.
Ο παππούς του είναι ο Aage Niels Bohr, ο οποίος, μαζί με τους Ben Roy Mottelson και James Rainwater, έλαβε το Νόμπελ Φυσικής το 1975 για την ανακάλυψη της σύνδεσης μεταξύ συλλογικής κίνησης και κίνησης σωματιδίων στους ατομικούς πυρήνες. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη μιας βελτιωμένης θεωρίας για τη δομή του ατομικού πυρήνα.
«Τόσο ο προπάππους όσο και ο παππούς μου με ενέπνευσαν πάρα πολύ», είπε ο Bohr. «Και οι δύο δούλεψαν σε θεωρητική εργασία και κατάλαβαν το άτομο και τον πυρήνα. Η θεωρία του προπάππου μου ότι τα άτομα μπορούν να απορροφήσουν ένα φωτόνιο συγκεκριμένου μήκους κύματος και να πάνε σε μια διεγερμένη κατάσταση ή να εκπέμπουν ένα φωτόνιο και να διασπαστούν σε μια χαμηλότερη κατάσταση είναι ακριβώς αυτό που κάνουμε στο εργαστήριό μας κάθε μέρα με λέιζερ».
Ο Bohr πρόσθεσε ότι είναι το ανοιχτό μυαλό του προπάππου του και των συναδέλφων του που τον εμπνέει ιδιαίτερα.
«Οι έννοιες είναι εντελώς αδιανόητες, αλλά μέσω αυστηρών δεδομένων και συζητήσεων έχουν αποδεχτεί αυτούς τους νέους «κβαντικούς» κανόνες», είπε ο Bohr. «Τα αποδεχόμαστε πλέον και τα χρησιμοποιούμε σε πολλές από τις σύγχρονες τεχνολογίες μας. Ελπίζω να συμβάλω στην ανάπτυξη των επόμενων κβαντικών τεχνολογιών που θα ωφελήσουν την κοινωνία».
Παρόμοιες αναρτήσεις:
– Η αποστολή ατομικών ρολογιών κοντά στον ήλιο θα μπορούσε να αποκαλύψει τα μυστικά της σκοτεινής ύλης
— Το υψηλής ενέργειας σωματίδιο της «ηλιακής θεάς» ανοίγει δυνατότητες για νέα φυσική και ενθουσιάζει τους επιστήμονες
— Η ατμόσφαιρα της Γης θα μπορούσε να μετατραπεί σε γιγάντιο ανιχνευτή σκοτεινής ύλης
Όσον αφορά την έρευνά του για το ατομικό ρολόι υπερακτινοβολίας, ο Bohr είπε ότι υπάρχουν πολλές ευκαιρίες για μελλοντικές προόδους. Η ομάδα στην οποία ήταν μέρος στην Κοπεγχάγη συνεχίζει τώρα να μελετά διάφορες ιδιότητες του υπερακτινοβολούμενου φωτός για να δει πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άλλες καταστάσεις.
Ο Bohr ανέλαβε έκτοτε μεταδιδακτορική θέση στο JILA, ένα κοινό ινστιτούτο του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) και του Πανεπιστημίου του Κολοράντο, Boulder. Αυτό είναι ένα εργαστήριο που μελετά επίσης την υπερακτινοβολία και άλλα συλλογικά ατομικά αποτελέσματα για κβαντικούς αισθητήρες επόμενης γενιάς.
«Σκοπεύω να συνεχίσω την έρευνα για συλλογικά κβαντικά εφέ που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ρολόγια και αισθητήρες», κατέληξε. «Έχουμε κάποιες ιδέες για να βελτιώσουμε περαιτέρω τη μέθοδο, όπως η εύρεση των βέλτιστων παραμέτρων και η κατανόηση και η μείωση του επιπέδου θορύβου στο υπερακτινοβολούμενο σήμα».
«Υπάρχουν πολλές ευκαιρίες για χρήση της υπερακτινοβολίας για την προώθηση των ρολογιών και της τεχνολογίας αισθητήρων».
Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύτηκε τον Φεβρουάριο στο περιοδικό Nature Communications.