Ultrapræcise atomure et skridt nærmere – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2009 > Ultrapræcise atomure e...

16. april 2009

Ultrapræcise atomure et skridt nærmere

Et ur, der er så præcist, at det kun mister et sekund per 300 millioner år – det er resultatet af ny forskning i ultrakolde atomer. Det internationale samarbejde består af forskere fra University of Colorado, USA og Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, og resultaterne er netop blevet offentliggjort i det ansete videnskabelige tidsskrift, Science.

Atomerne fanges og manipuleres ved brug af laserlys og
magnetfelter. Herved opnås fuld kontrol over atomerne, og
uønskede effekter f.eks. fra atomernes bevægelse kan
kompenseres. Foto: Niels Bohr Institutet

Et atomur består af gasatomer, strontium, der fanges i et magnetfelt, hvor de fastholdes med præcise stråler af laserlys og køles ned til tæt på det absolutte nulpunkt, minus 273 grader Celcius. I dén tilstand kan forskerne udnytte atomernes kvante-egenskaber og få dem til at fungere som et urværk med et pendul.

”Et atom består af en kerne og nogle elektroner, der svæver i veldefinerede baner omkring kernen. Ved at udnytte det fokuserede laserlys kan man få elektronen til at svinge frem og tilbage på en veldefineret måde mellem disse baner, og det er det, der udgør pendulet i atomuret”, forklarer atomfysiker på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, Jan W. Thomsen, der har arbejdet med de nye eksperimenter sammen med forskere på University of Colorado i Boulder, USA.

Ulydige atomer
Atomure er ikke som sådan noget nyt, og allerede i dag anvendes de til at lave de mest præcise målinger indenfor fysik. Men der var noget forskerne ikke forstod, og som gjorde, at de stødte mod en grænse i bestræbelserne på at gøre atomuret endnu mere præcist. De kunne ikke få nøjagtigheden bedre end tab af ét sekund per 150.000 år.

 
Ultrakolde strontium atomer. Den lille blå
lysende kugle udgør hjertet i atomuret. Atomer
med en temperatur på ca. 1 mikro kelvin fanges
i en lysfælde, og atomernes svingninger måles
med nøjagtige lasere.
Foto: University of Colorado

”Problemet var, at atomerne ikke opførte sig, som de burde ifølge fysikkens kvanteteorier”, fortæller Jan W. Thomsen og forklarer, at atomer har to fundamentale kvante-tilstande – de drejer enten en hel omgang om sig selv, og så kaldes de bosoner, eller de drejer halvtalligt (½ eller1½) om sig selv, og så kaldes fermioner. De to slags opfører sig vidt forskelligt. Bosonerne klumper sig tæt sammen, mens fermionerne frastødes af hinanden og er umulige at få tæt på hinanden.

Rejse ind i kvanteverdenen
Til atomure bruger man fermioner, fordi de ikke vekselvirker – ifølge teorien om den kvantemekaniske fysik. Men det gjorde de alligevel, viste det sig. Og hvad var årsagen? Forskerne ville finde ud af, hvad det egentlig var, der foregik, og de startede en kolossal række tidskrævende eksperimenter, der har giver en helt ny indsigt i, hvordan kolde atomer opfører sig.

”Det blev en spændende rejse ind i den kvantemekaniske verden. Vi fandt ud af, at ikke alle fermioner var éns. Ved de meget lave temperaturer begyndte fermionerne at ’se’ hinanden og vekselvirke, og så begyndte atomuret at gå lidt skævt”, fortæller Jan W. Thomsen. Forsøgene viste, at fermionernes kvanteegenskaber blev påvirket af selve lyspåvirkningen, og det bevirkede unøjagtigheden på atomuret. Ved at indstille lysfrekvensen på en helt bestemt måde, kunne man styre fermionerne og undgå unøjagtigheden.

Store perspektiver
Resultatet er, at et atomur nu er tre gange mere præcist end før, og at uret nu kun mister ét sekund per 300.000 år mod tidligere ét sekund per 150.000 år. Selv om det kun er minimale brøkdele af et sekund, har det store perspektiver i anvendelsen, der har med store afstandsbestemmelser at gøre, f.eks. at måle afstande til fjerne galakser i rummet.

 
Strontium atomur ved JILA, University of Colorado. Kolde atomer
fanges i et lufttomt vakuum-kammer for at beskytte dem mod
påvirkninger fra omgivelserne. Specialfremstillede spoler
kompenserer for bl.a. Jordens magnetfelt, når atomuret kører.
Foto: University of Colorado

Vender man blikket mod Jorden vil man kunne måle de bittesmå bevægelser i kontinentaldriften, og det kan måske give geofysikerne et nyt værktøj til arbejdet med at forudsige jordskælv.

Spørgsmålet er, om de så nu er tilfredse med atomurets nøjagtighed? ”Ikke helt”, svarer Jan W. Thomsen, ”vi drømmer om at få et atomur med perfekt nøjagtighed”. Så forskningen i kvantemekanikkens verden fortsætter mod nye mål.



Science 17. april 2009:
Vol. 324. no. 5925, pp. 360 - 363
DOI: 10.1126/science.1169724