Ny rekord for målt atomar levetid – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Forside
Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2011 > Ny rekord for målt ato...

07. september 2011

Ny rekord for målt atomar levetid

Forskere på Niels Bohr Institutet har med stor præcision målt levetiden af et ekstremt stabilt energiniveau for magnesiumatomer. Magnesiumatomer anvendes til forskning i ultra-præcise atomure. De nye målinger viser en levetid på 2050 sekunder, hvilket svarer til ca. ½ time, som er den længste levetid nogensinde målt i et laboratorium. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.

Den eksperimentelle opstilling i laboratoriet. Atomerne fanges i den magneto-optiske fælde i vakuumkammeret i midten af billedet ved hjælp af ultraviolet laserlys (blå stråler). De magnetiske spoler sidder inde i kammeret. Det røde laserlys bruges til at overføre atomerne til den metastabile tilstand.

Eksperimentet består af magnesium atomer, som fanges ved hjælp af laserlys i en såkaldt magneto-optisk fælde og nedkøles til tæt på det absolutte nulpunkt, minus 273 grader Celcius. Derefter påvirkes atomerne med laserlys, som bevirker, at elektronerne springer fra deres grundtilstand til et højere energiniveau. Det højere energiniveau kaldes en exciteret tilstand, men den tilstand er typisk meget ustabil og henfalder normalt i løbet af få nanosekunder. Enkelte særlige tilstande kan dog leve meget længere, op til flere sekunder eller mere før de henfalder, og kaldes derfor for metastabile tilstande.

Ekstrem lang levetid

"Nogle atomer er nemme at påvirke, mens andre er sværere at få til at springe til en exciteret tilstand, og jo sværere det er at få dem til at springe, jo længere holder de. Vi har arbejdet med magnesium-24 isotopen, som er den mest almindelige form for magnesium. Det atom har en metastabil tilstand, som er meget svær at excitere, men ved hjælp af en særlig teknik har vi kunnet overføre magnesiumatomerne til den metastabile tilstand og måle en levetid af den tilstand på 2050 sekunder. Det er en ekstrem lang levetid", fortæller atomfysiker Philip G. Westergaard, der som en del af forskningsgruppen under ledelse af Jan W. Thomsen på Niels Bohr Institutet arbejder frem imod at udvikle et atomur baseret på ultra-kolde magnesium atomer.

Helt præcist drejer det sig om levetiden af den kvantemekaniske tilstand for to elektroner i den tredje elektroniske skal for magnesium-24. For at kunne udføre levetidsmålingen, fanges og køles op imod 108 (hundrede millioner) magnesium atomer ved hjælp af laserlys i en magneto-optisk fælde. Derefter exciteres atomerne til den metastabile tilstand og overføres til en magnetisk fælde, hvor levetiden kan måles.

Illustration af den magneto-optiske fælde (MOT). Atomerne (grønne kugler) fanges og køles ved hjælp af tre par modsatrettede laserstråler (blå pile) og et magnetfelt genereret af spoler placeret ovenfor og nedenfor atomerne.

 

For at udelukke systematiske effekter på den målte værdi, blev adskillige fejlkilder testet. Blandt andet blev hele eksperimentet kølet ned til under frysepunktet med tøris, dog uden at det påvirkede resultatet. Den endelige usikkerhed på resultatet blev 5,5 %, som er en ganske lille usikkerhed for denne type måling. Det betyder, at målingen kan bruges til at efterprøve teoretiske forudsigelser indenfor kvantefysik, og hjælpe til at gøre teoretiske modeller af fler-elektron systemer mere nøjagtige.

Ekstremt præcist atomur

Den lange levetid for magnesium atomernes exciterede tilstand vil bl.a. få betydning for udviklingen af ultrapræcise atomure, som forskningsgruppen på Niels Bohr Institutet arbejder på at frembringe.

Atomuret består af en gas af magnesium atomer, som fastholdes i en fælde ved hjælp af laserlys og magnetfelter og køles ned til minus 273 grader C. I den tilstand kan forskerne udnytte atomernes kvante-egenskaber og få dem til at fungere som et urværk med et pendul. Atomernes elektroner svæver i faste baner omkring kernen, og ved hjælp af ultra-stabilt laserlys kan man få elektronerne til at springe frem og tilbage mellem disse baner, og det er det, der udgør pendulet i atomuret.

"Vores nye resultater med at holde atomerne i den exciterede tilstand i meget lang tid giver os en bedre styring af elektronernes spring mellem banerne, og det betyder, at kvanteusikkerheden bliver mindre. Det kan udnyttes til at udvikle et atomur, der bliver så nøjagtigt, at det kun mister et sekund pr. 900 millioner år", forklarer Jan W. Thomsen.

Ultrapræcise atomure vil blandt andet kunne anvendes til at efterprøve Einsteins almene relativitetsteori samt til at teste, om naturkonstanter ændrer sig over tiden, f.eks. finstrukturkonstanten, som beskriver størrelsen af elektron-energierne i atomernes opbygning. Desuden kan atomure bruges til navigation, f.eks. GPS, og højhastighedstelekommunikation.

Physical Review Letters >>