Cercetătorii remăsoară o frecvență-cheie a stronțiului cu o precizie de 50 de ori mai mare
O echipă de cercetători de la Institutul de Standarde și Știință din Coreea (KRISS) a remăsurat frecvența unei tranziții optice a atomului de stronțiu, pentru prima dată după 88 de ani, folosind un cip fotonic cu grătar. Rezultatul stabilește o nouă valoare absolută a frecvenței, cu o incertitudine de măsurare redusă de peste 50 de ori față de valoarea anterioară. Rezultatele au fost publicate în jurnalul Metrologia.
Stronțiul este un element utilizat pe scară largă în tehnologiile cuantice de precizie, precum ceasurile optice cu rețea și senzorii cuantici. Pentru a fi folosit în aceste aplicații, atomii de stronțiu trebuie încetiniți și capturați cu ajutorul unor lasere reglate cu precizie, ceea ce presupune cunoașterea frecvenței exacte de rezonanță a luminii laser pentru tranziția atomică respectivă.
Valoarea anterioară a frecvenței fusese obținută în 1938, prin compararea spectrului solar cu lumina de arc a stronțiului, iar incertitudinea ei era prea mare pentru reglajele de precizie ale laserelor moderne. Din acest motiv, cercetătorii au fost nevoiți să observe direct răspunsul atomilor și să ajusteze frecvența laserului, asemenea reglării unui radio analogic pentru a prinde un post.
Echipa a măsurat frecvența absolută a tranziției optice a atomilor de stronțiu la 461 de nanometri. După o campanie de măsurători de precizie desfășurată pe parcursul unui an, incertitudinea a fost redusă la aproximativ 5 megahertz, o îmbunătățire de peste 50 de ori față de valoarea anterioară.
Măsurarea a stabilit trasabilitatea față de standardul național de timp și frecvență al Coreei, menținut de KRISS. Deoarece acest standard este legat de Sistemul Internațional de Unități (SI), rezultatele pot fi comparate în mod fiabil cu aceeași referință oriunde în lume, indiferent de diferențele dintre laboratoare sau echipamente.
Dispozitivul-cheie care a sporit stabilitatea măsurătorii este cipul fotonic cu grătar, dezvoltat de KRISS împreună cu Institutul Coreean de Știință și Tehnologie Avansată și cu Centrul Național NanoFab. Structura fină a grătarului de pe suprafața cipului, instalat în vid, difractă și reflectă lumina în direcții prestabilite, reducând erorile de măsurare cauzate de vibrațiile mecanice în comparație cu metodele convenționale, care necesită alinierea mai multor oglinzi externe. În plus, un singur cip poate genera fascicule laser în mai multe direcții, simplificând configurația optică.
După ce au redus erorile de măsurare legate de echipament, cercetătorii au determinat frecvența tranziției în mod independent prin două metode bazate pe principii diferite, verificând astfel fiabilitatea rezultatelor. Una dintre metode analizează modul în care atomii răspund la lumină în funcție de frecvența laserului, iar cealaltă deduce frecvența tranziției din distribuția vitezelor unui fascicul atomic încetinit cu lasere. Valorile obținute prin cele două metode au concordat în limitele marjelor de eroare, iar valoarea finală a fost calculată ținând cont de incertitudinea fiecărui rezultat, în conformitate cu ghidurile internaționale.
Noua valoare absolută a frecvenței poate fi folosită ca referință pentru răcirea, capturarea și controlul precis al atomilor în ceasurile optice cu rețea pe bază de stronțiu, în senzorii cuantici și în calculatoarele cuantice cu atomi neutri. Combinată cu tehnologia de sinteză a frecvenței optice aflată în dezvoltare, ea eliberează dispozitivele cuantice de generație următoare de dependența de referințe atomice externe voluminoase. Aceste tehnologii ar putea accelera miniaturizarea și comercializarea dispozitivelor cuantice bazate pe atomi reci.
„Consider că principalul merit al acestei cercetări nu este simplul fapt că am remăsurat o singură valoare de frecvență, ci că am oferit în mod proactiv un punct de referință precis pentru tehnologiile cuantice de generație următoare”, a declarat dr. Jae Hoon Lee, cercetător principal în cadrul Grupului de Senzori Cuantici Atomici de la KRISS. „În calitate de institut național de metrologie, KRISS va continua să deschidă drumul standardelor pentru noile domenii de măsurare necesare în știința și tehnologia cuantică.”
