Optical atomic clocks on all-optical atom chips

Tijd is, in de meest nauwkeurige zin, geen rivier die met een constante snelheid stroomt, maar een trilling. Decennialang hebben de meest nauwkeurige klokken ter wereld de gestage tikken van atomen geteld, specifiek de trillingen van cesiumatomen, om de seconde te definiëren. Wetenschappers zoeken echter al lang naar een betere standaard, een die sneller en consistenter trilt. Deze superieure tijdmeters, bekend als optische klokken, gebruiken atomen die oscilleren op de frequentie van zichtbaar licht in plaats van microgolven. Om deze klokken te laten werken, moeten de atomen perfect stil worden gehouden, geïsoleerd van de onrust van warmte en de aantrekkingskracht van de zwaartekracht, meestal in een vacuümkamer ter grootte van een kamer. De uitdaging is altijd geweest om dit enorme, delicate apparaat te verkleinen tot iets dat klein genoeg is om te worden meegedragen, terwijl de ongelooflijke nauwkeurigheid intact blijft.

Een onderzoeker bij het National Physical Laboratory in het Verenigd Koninkrijk heeft een manier voorgesteld om dit te doen door de klok direct op een microscopische chip te bouwen, waarbij licht zelf wordt gebruikt om de atomen op hun plaats te houden. In plaats van magnetische velden, die bepaalde soorten atomen niet kunnen vangen, of volumineuze lasers die een kamer vullen, gebruikt hun ontwerp een platte, zwevende strook glas, vergelijkbaar met een minuscule optische vezel, om lichtgolven te geleiden. Deze lichtgolven creëren een onzichtbare, driedimensionale kooi vlak aan het oppervlak van de chip. De onderzoeker richtte zich op strontium, een alkalie-aardmetaal dat een belangrijke kandidaat is voor de volgende generatie tijdstandaarden omdat de atomen ervan met uitzonderlijke stabiliteit trillen. Door deze atomen in een specifiek patroon van licht op een chip te vangen, beogen zij een klok te creëren die niet alleen ongelooflijk precies is, maar ook compact genoeg om te worden gebruikt in navigatiesystemen of draagbare wetenschappelijke instrumenten.

De kern van deze nieuwe aanpak is een apparaat dat een all-optische atoomchip wordt genoemd. In traditionele opstellingen gebruiken wetenschappers magnetische velden gegenereerd door draden om atomen vast te houden, maar strontiumatomen hebben een grondtoestand die hen immuun maakt voor magnetische vallen. Om dit op te lossen, ontwierp de onderzoeker een chip waarbij het licht zelf de vangst verzorgt. Ze gebruiken twee verschillende kleuren laserlicht, één rood en één blauw, die langs een zwevende strook silicaatglas worden geleid. Het rode licht trekt de atomen aan, terwijl het blauwe licht hen wegduwt. Door de tegengestelde krachten zorgvuldig in evenwicht te brengen, nestelen de atomen zich in een stabiele positie net boven het oppervlak van het glas, vastgehouden in een roosterachtig patroon dat een optisch rooster wordt genoemd. Deze opstelling maakt het mogelijk om de atomen met grote gemak te manipuleren en te onderzoeken, en het platte ontwerp van de chip maakt het mogelijk om andere componenten, zoals ringvormige lichtresonatoren, direct in de structuur te integreren. Deze integratie is een belangrijke stap naar het creëren van actieve klokken die hun eigen stabiele lichtsignaal kunnen genereren, in plaats van alleen een extern signaal te meten.

Een van de grootste hindernissen bij het plaatsen van atomen zo dicht bij een vast oppervlak is de van der Waals-kracht, een subtiele aantrekking die optreedt tussen atomen en het materiaal dat ze nabij zijn. Naarmate atomen dichter bij het glas komen, trekt deze kracht hen naar binnen, en omdat de aantrekkingskracht iets verschilt voor de twee energietoestanden die in de klok worden gebruikt, zorgt dit ervoor dat de "tik" van de klok versnelt of vertraagt, wat fouten introduceert. De onderzoeker ontdekte dat door specifieke "magische" golflengten van licht te gebruiken — kleuren die de frequentie van de klok niet verstoren — zij dit probleem konden minimaliseren. Zij berekenden dat door een rood licht van 813 nanometer en een blauw licht van 390 nanometer te gebruiken, zij een val konden creëren waar de atomen zich op een afstand bevinden waar de invloed van het licht de door het glas veroorzaakte frequentieverschuiving opheft. In hun simulaties toonden zij aan dat zelfs als de lichtintensiteit enigszins fluctueert, de klok opmerkelijk stabiel blijft.

De studie verkende ook een meer radicale configuratie waarbij de atomen uitsluitend worden vastgehouden door de afstotende duw van het blauwe licht en de natuurlijke aantrekkingskracht van de van der Waals-kracht, zonder enig rood licht om te helpen. Deze aanpak elimineert de noodzaak van het rode licht volledig, waardoor een bron van potentiële instabiliteit wordt weggenomen. In dit scenario worden de atomen door het blauwe licht van het glas weggeduwd, maar worden ze zachtjes teruggetrokken door de oppervlakte-aantrekkingskracht, waardoor ze in een stabiel evenwicht terechtkomen. De onderzoeker demonstreerde via hun modellen dat deze methode zou kunnen werken, mits de atomen koel genoeg worden gehouden. Deze configuratie zou potentieel tot nog hogere nauwkeurigheid kunnen leiden omdat het de complexiteit van het beheren van twee verschillende lichtvelden wegneemt.

Toen de onderzoeker de cijfers doorrekende over hoe goed deze klokken zouden presteren, waren de resultaten veelbelovend. Zij schatten dat een klok gebouwd op dit ontwerp een kortetermijnstabiliteit van ongeveer 10 tot de macht negatief 16 per seconde zou kunnen bereiken, wat betekent dat het minder dan een biljardste van een seconde per zeer korte periode verliest of wint. Voor de langetermijnnauwkeurigheid stelden zij vast dat, als de intensiteit van het vangende licht stabiel blijft, de klok een nauwkeurigheid van ongeveer 5 maal 10 tot de macht negatief 15 kan bereiken. Dit niveau van precisie is vergelijkbaar met de beste optische klokken die momenteel in grote laboratoria worden gebouwd, maar dan met het potentieel om op een chip te worden ondergebracht. De onderzoeker merkte ook op dat deze technologie kan worden aangepast voor andere atomen, zoals thulium, wat zelfs grotere precisie zou kunnen bieden vanwege de unieke atomaire eigenschappen.

Het uiteindelijke doel van dit werk is om de optische atoomklokken uit het laboratorium en de echte wereld in te brengen. Door de technologie te verkleinen tot een chip, kunnen deze apparaten worden gebruikt in kwantumnavigatiesystemen, inertiesensoren en andere geavanceerde technologieën die een precieze timing vereisen. Het vermogen om atomen met alleen licht op een plat oppervlak te vangen, opent de deur naar het integreren van klokken met andere kwantumapparaten, wat een nieuwe generatie draagbare, hoogwaardige instrumenten creëert. Hoewel het artikel steunt op theoretische modellen en simulaties in plaats van een fysiek prototype, suggereren de berekeningen dat de weg vrij is. De combinatie van magische golflengten, slimme lichtbalancering en de unieke eigenschappen van strontiumatomen biedt een levensvatbare route naar het bouwen van de volgende generatie tijdmeters, waardoor de buitengewone precisie van optische klokken naar een schaal wordt gebracht die voorheen onvoorstelbaar was.