Nova técnica de resfriamento de Sísifo pode aumentar a precisão dos relógios atômicos

Pesquisadores do Neutral Atom Optical Clocks Group do National Institute of Standards and Technology (NIST), da Universidade do Colorado e da Universidade Estadual da Pensilvânia desenvolveram recentemente uma nova técnica de resfriamento de Sísifo com sub-recuo que pode ajudar a melhorar a precisão dos relógios atômicos.

Esta técnica, descrita num artigo publicado em Cartas de revisão físicafoi inicialmente usado para criar um relógio de rede óptica de itérbio de alto desempenho, mas também pode auxiliar no desenvolvimento de outros relógios e ferramentas de metrologia quântica.

“A espectroscopia de precisão é um campo de pesquisa muito amplo com uma longa história”, disse Chun-Chia Chen, coautor do artigo, ao Phys.org. “Físicos atômicos realizam estudos de espectroscopia em objetos que variam de átomos e íons a moléculas e mais. Talvez surpreendentemente, a espectroscopia de alta precisão também foi feita em antimatéria, que é um campo ativo de pesquisa atualmente sendo explorado no CERN.”

Ao tentar melhorar a precisão e a exatidão dos relógios atômicos, Chen e seus colegas do NIST tropeçaram em um artigo que delineou um novo esquema para o resfriamento a laser de Sísifo de hidrogênio e anti-hidrogênio. Inspirando-se nesse esquema, eles se propuseram a elaborar uma abordagem de resfriamento semelhante que pudesse melhorar o desempenho de seus relógios atômicos.

Relógios atômicos são dispositivos de cronometragem que referenciam uma frequência ao movimento oscilatório dos átomos. A operação desses relógios depende de técnicas de espectroscopia de alta precisão que abordam estados atômicos com longos tempos de vida e uma largura de linha de transição ultraestreita entre esses estados, que normalmente está no nível sub-Hz.

“Tradicionalmente, usamos esse recurso de espectroscopia ultraestreita para fins de estabilização de frequência, que serve como a ideia central para os padrões de frequência de última geração e relógios atômicos ópticos”, explicou Chen. “No entanto, antes de executar a espectroscopia de alta precisão, utilizamos a excitação ultraestreita junto com outra ferramenta de engenharia quântica para a implementação do resfriamento de Sísifo.”

Essencialmente, Chen e seus colegas projetaram estrategicamente a mudança de energia de seu estado de relógio excitado seguindo um padrão periodicamente modulado. Esse método permitiu que eles controlassem precisamente o local onde uma excitação de linha de relógio acontece dentro de seu processo de resfriamento de Sísifo.

“Mais especificamente, configuramos a condição de excitação de modo que ela ocorra preferencialmente na posição correspondente à base da paisagem potencial periódica”, disse Chen. “Uma vez excitados, os átomos perdem sua energia cinética ao escalar o potencial e preferencialmente saem da paisagem potencial para longe do mínimo do potencial. O resfriamento é realizado após escalar repetidamente o potencial de energia.”

Como parte de seu estudo recente, os pesquisadores demonstraram seu esquema de resfriamento Sisyphus alavancando a transição ultraestreita de um relógio de rede óptica baseado em Ytterbium. No entanto, a mesma abordagem deve teoricamente ser aplicável a outros sistemas equipados com transições de largura de linha estreita.

“Nas últimas duas décadas, o objetivo de realizar espectroscopia de relógio de alta precisão de átomos neutros foi melhor alcançado criando condições de captura idênticas para átomos tanto no estado fundamental quanto no estado de relógio excitado”, explicou Chen.

“Isso é feito projetando uma armadilha formada por lasers em uma onda estacionária e que opera no que chamamos de comprimento de onda mágico. Nessa situação, uma diferença no potencial de captura sentido pelos átomos nos dois estados atômicos é essencialmente um inimigo para a realização de uma espectroscopia de relógio de alta precisão.”

Os esforços mais recentes visando o avanço da espectroscopia de clock têm, portanto, explorado estratégias para minimizar a diferença de potencial de armadilha entre o estado fundamental e o estado de clock excitado. Para enfrentar esse desafio, Chen e seus colegas se concentraram em melhorar o resfriamento das amostras antes de realizar a espectroscopia de clock de alta precisão.

“Para obter um resfriamento aprimorado durante a preparação da amostra antes de executar a espectroscopia de relógio, introduzimos momentaneamente uma mudança de estado excitado espacialmente dependente, que introduziu mais, e não menos, diferença de potencial de armadilha para os dois estados de relógio”, disse Chen.

“Fazer isso nos permitiu perceber o mecanismo de resfriamento de Sísifo, que por sua vez melhorou a condição da amostra posteriormente para melhor espectroscopia de relógio com menor diferença de potencial de armadilha. Além disso, as temperaturas mais frias nos ajudaram a usar armadilhas mais rasas nos átomos, o que também reduziu essa diferença.”

A nova técnica de resfriamento Sisyphus desenvolvida por esta equipe de pesquisadores pode em breve ajudar a melhorar a precisão de outros sistemas de relógios ópticos. Além disso, pode ser usada para resfriar amostras para outras tecnologias emergentes, incluindo sistemas de processamento e computação de informações quânticas. Em seus próximos estudos, esses pesquisadores planejam continuar usando sua técnica de resfriamento Sisyphus para melhorar a precisão dos relógios de rede óptica desenvolvidos no NIST.

“O resfriamento adicional nos permite criar conjuntos atômicos com condições mais uniformes dentro da armadilha de laser de onda estacionária de comprimento de onda mágico”, acrescentou o pesquisador Andrew Ludlow. “Isso, por sua vez, nos permite caracterizar com mais cuidado e precisão pequenos efeitos do laser de captura na frequência do relógio.

“Além disso, as temperaturas mais baixas nos permitem manter os átomos em armadilhas de laser ainda mais fracas, onde os efeitos de captura indesejados são ainda menores. Após algumas medições cuidadosas nas quais estamos trabalhando atualmente, tudo isso se traduzirá em precisão de relógio melhorada.”

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