17. juni 2021

Ultrapræcise målinger med Atomure

Præcisionsmåling med Metrologi:

Atomure anvendes mange forskellige steder uden at man er klar over det. F.eks. i satellitter til geofysiske undersøgelser af Jordens tyngdefelt, gravitationsbølger fra rummet, aktiehandel og siden de tidlige 90'ere, i satellitter til GPS, der navigerer dig rundt med få meters nøjagtighed.

GPS-satellitternes baner er cirka 20.000 km oppe over Jorden, og deres omløbstid er godt 12 timer. (Illustration: US Government/ CC0 1.0​)
Uden atom-ure ville GPS-satellitterne præcision være helt umulig, da de befinder sig cirka 20.000 km oppe over Jorden. (Illustration: US Government/ CC0 1.0​)

Atomure viser vej

Atomure har i dag et utal af anvendelser, hvor en af de vigtigste er den internationale tidsstandard, der er defineret ud fra et globalt netværk af atomure. Atomure anvendes også til GPS, hvor et atomur ombord på en satellit præcist måler den tid det tager et signal, at nå frem og tilbage mellem satellitten og en modtager. Dermed kan den bestemme din position på jordoverfladen med få meters nøjagtighed.

 

I forskningen anvendes atomure også blandt andet til at undersøge fundamental fysik, ved at måle tiden så præcist, at vi kan lede efter små afvigelser fra de etablerede teorier, deriblandt Albert Einsteins specielle relativitetsteori, der foreskriver, at tiden bevæger sig langsommere, jo stærkere en tyngdekraft du oplever.

Det vil sige, at et atomur i toppen af Eiffeltårnet oplever målbart tiden hurtigere end et atomur ved havoverfladen.

 

Sådan fungerer et atomur

Bornholmerur
En oscillator i et atomur udfører den samme funktion som pendularmen inde i et bornholmerur.

Et atomur har to hovedkomponenter; en oscillator og en reference. En oscillator er en elektronisk eller mekanisk komponent, der udfører en form for svingninger. Et eksempel på dette er armen på et bornholmerur.

For hver svingning er der gået cirka et sekund, og det får viseren på bornholmerurets urskive til at rykke sig. Stabiliteten på sådanne type ure er udmærkede til dagligdags brug, men på længere sigt vil uret vise en smule forkert, da der er uundgåelige unøjagtigheder i f.eks. længden på bornholmerurets pendularm.

 

For et atomur er oscillatoren en laser, hvor svingningerne er selve lysbølgen, som dermed  er laserens frekvens. Man kan inddele tid i meget finere intervaller, hvis man bruger en hurtigere oscillator, som ikke skal tikke mekanisk frem og tilbage som bornholmeren.

Et atomur har dog samme problem som et bornholmerur - over tid vil frekvensen af oscillatoren (laseren) drive på grund af blandt andet temperaturskift og vibrationer, og uret vil i sidste ende vise forkert.

Det er her referencen kommer i spil. For et atomur er referencen en sky af kolde atomer i et vakuumkammer, der er nedkølet tæt på det absolutte nulpunkt ved hjælp af en særlig kombination af magnetfelter og kølelasere.

Kold sky af strontiumatomer i vores vakuumkammer.
Kold sky af strontiumatomer i vores vakuumkammer.

Synkronisering med en sky af ultrakolde atomer

Atomer har såkaldte resonansfrekvenser, hvilket betyder at lys med en specifik farve kan få elektronerne i et atom til at hoppe frem og tilbage mellem de forskellige elektronskaller der omkranser atomkernen. (Se animationen af et atom til højre) F.eks. har strontium 88 atomer en resonans for lys med en bølgelængde på 689 nanometer, som er hyppigt benyttet til at lave strontium atomure.

 

Laseren, hvis svingninger fungerer som bornholmerurets pendularm i et atomur, skydes således på den kolde atomsky inde i vakuumkammeret.

Simpel atommodel
Simpel atommodel (RacoonyRE, Scientific Linux Logo, Wikimedia Commons)

Ved at se på hvor meget af lyset atomerne absorberer, kan vi få en idé om hvor præcist vi matcher atomernes resonans med laserens farve. Er vi over eller under, kan vi justere laserens farve, så vi igen kommer perfekt på resonans.

Således fungerer atomerne som en meget præcis reference, som vi retter laserens frekvens efter. Dette system er smart, da en given type atom på jorden vil have samme egenskaber som samme atom på Mars, Jupiter og endda i en anden galakse.

Det vil sige, at med et atomur har man en universel reference, der burde være ens, uanset hvor man bygger sit atomur.

Ovn til strontiumatomer. Her varmes atomerne op til 520 grader, så de går på gasform.
Ovn til strontiumatomer. Her varmes atomerne op til 520 grader, så de går i gastilstandsform.

En bombe af lys

I vores laboratorium arbejder vi med det kvantemekaniske fænomen “superradiens” med strontiumatomer. Superradiens bliver ofte beskrevet som en bombe af lys.

Fænomenet optræder blandt andet når en kold og tæt atomsky får tilført energi af en stærk laser. Atomerne synkroniserer og kobler stærkt med hinanden, hvilket resulterer i at atomerne samlet emiterer de absorberede fotoner (lyspartikler) som en enkelt stærk lyspuls. Denne lyspuls er særligt veldefineret i frekvens, og kan derfor fungere som en allerede stabiliseret oscillator.

Atomerne fungerer således både som reference og oscillator. Håbet er, at netop denne type atomur med tiden vil kunne overgå nutidens bedste atomure i præcision. De atomure vi har nu, er så præcise, at de ikke viser mere end ét sekund forkert på 15 milliarder år. - det mener vi, at vi kan gøre bedre.

En iskold nedbremsning

Før vi kan udføre disse eksperimenter med superradiens skal vi dog have samlet en sky af kolde atomer i vores vakuumkammer. Strontium er et metal, og skal varmes op før det overhovedet kommer på gastilstandsform. Derfor har vi en dedikeret sektion af vores vakuumkammer til en ovn fyldt med strontium.

Først varmes atomerne op i ovnen til 520 grader. Ved denne temperatur begynder en del af atomerne at gå i gastilstandsform, og en del af strontiumgassen undslipper ovnen via et lille hul i ovnens låg.

Atomstrålen bevæger sig igennem en såkaldt “Zeeman slower”, der ved hjælp af et magnetfelt og blå laser sænker atomstrålens hastighed fra cirka 400 m/s til omkring 10-20 m/s. Efter dette bevæger sig strålen sig ind i hvad vi kalder “Science” kammeret. Se billedet herunder:

Eksperimentelt setup til at få strontium på gasform, og efterfølgende køle dem ned til tæt på det absolutte nulpunkt (5 mK).
Eksperimentel opstilling til at få strontium på gasform, og efterfølgende køle dem ned til tæt på det absolutte nulpunkt (5 mK).

Her skydes lasere fra 6 retninger, og kombineret med et stærkt magnetfelt, bliver atomerne samlet og kølet til omkring 5 milli-Kelvin  (0.005 °C over det absolutte nulpunkt - som er -273 °C) i midten af kammeret. Dette kaldes for en magneto-optical trap (MOT).

For at få den optiske del af atomfælden til at virke, skal vi have lasere med den rigtige form og frekvens, og være i stand til at tænde og slukke for dem. Derfor er et optisk bord ofte fyldt med spejle, linser og forskellige andre komponenter til at guide og forme laserlyset, så det køler optimalt.

Laserlys, spejle og linser. Den blå laser køler atomerne i vakuumkammeret, og den røde bliver brugt til at probe atomerne og undersøge superradiens.
Laserlys, spejle og linser. Den blå laser køler atomerne i vakuumkammeret, og den røde bliver brugt til at måle på atomerne og undersøge superradiens.

I vores nuværende eksperiment er det kun muligt at undersøge superradiens i skudvise forsøg; atomer fanges, køles ned, tilføres energi med en laser, og emiterer derefter en superradient puls, der kun varer få mikrosekunder. Det tager cirka et sekund at køle og klargøre de kolde atomer til at lave en superradient puls, og derfor er det ikke et særlig effektivt atomur, siden vi ikke kan måle frekvensen af det emiterede lys det meste af tiden. 

 

 

Derfor arbejder vi tæt sammen med andre europæiske forskergrupper, gennem det europæiske samarbejde IQclock, mod at kunne lave en kontinuerlig kilde til superradient lys, som kan bruges til at realisere en helt ny generation af atomure; Superradiente atomure.

Et apparat som dette kan f.eks. realiseres ved at lade en atomstråle gå igennem flere stadier af laserkøling og tilførsel af energi. Siden det er en stråle af atomer, og ikke en sky, tilføres der konstant nye atomer, og vi vil kunne opnå en kontinuerlig emission af superradient lys, der vil kunne måles og bruge som tidsreference.

Karrieremuligheder: Hvad kan jeg blive som fysiker?

Læs om Fysikuddannelsen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og Fysikuddannelsens opbygning.

Se også: