انتشار این مقاله


ساعت اتمی چیست و چگونه کار می کند؟

در این مقاله ماهیت ساعت اتمی و نحوه ی عملکرد آن را خواهید خواند.

ساعت اتمی ، از انتقال بین سطوح انرژی الکترون ها، به عنوان منبع برای مکانیسم زمانبندی در اتم ها استفاده می کنند؛ که دقیق ترین ساعت های جهان هستند – در طول عمر جهان یک ثانیه هم تاخیر ندارند.

این بدان معناست که می توان از آن ها در اندازه گیری های بسیار دقیق، برای بررسی برخی از فرضیه های بنیادین فیزیک مدرن استفاده کرد. پیش بینی می شود که ساعت های مبتنی بر یون های با بار زیاد (HCl؛ اتم هایی که بسیاری از الکترون ها از آنها خارج شده اند) در این تحقیقات حساسیت بیشتری دارند. با این وجود، توسعه چنین ساعت هایی با مشکل تشخیص انتقال مناسب در HCl مواجهه می شود.

شوسلر و همکارانش در Nature شرح دادند: که آن ها بر اساس اختلاف زیاد یونی در سطح زمین حالت الکترونیکی طولانی مدت یك رنیوم با بار زیاد  را اندازه گیری كرده اند. این تعیین مستقیم و غیر مخرب یک تحریک الکترونیکی در HCl به کشف انتقال HCl مناسب برای استفاده در یک ساعت کمک خواهد کرد.

ساعت اتمی چگونه ساخته می شوند؟

برای ساختن ساعت اتمی، به یک وضعیت دوره ای نیاز دارد که فرکانس آن به عنوان مرجع برای زمان بندی به کار رود. انتقال الکترونیکی اتم ها، نوسان سازهای طبیعی کامل برای این منظور هستند. برای نوسان،  باید یک لیزر فوق العاده پایدار با فرکانس دقیق برای انتقال اتمی تنظیم شود، شبیه حالتی که یک ساز موسیقی برای تنظیم صدای مناسب باید تنظیم شود.

آیا می توان از هرگونه انتقال اتمی استفاده کرد؟

 خیر، انتقال مناسب دشوار است. بهترین انتقال از پایین ترین حالت انرژی یک اتم شروع شده و تا مدت متاستاز پذیر(بالاترین سطح انرژی) برسد. انرژی لازم برای تحریک انتقال نیز باید در محدوده tabletop- فن آوری های لیزر باشد.

علاوه بر این، اتم ها بایستی در تله ای نگه داشته شوند و حالت سکون خود را حفظ کنند – به عبارت دیگر، عملکرد ساعت های اتمی نیاز به دستکاری دقیق سیستم های کوانتومی دارد. به همین دلیل ساعت های موجود در حال حاضر از انتقال یا در اتم های خنثی الکتریکی یا یون هایی که با برداشتن یک الکترون از یک اتم تولید می شوند، استفاده می کنند؛ زیرا این سیستم ها از نظر کنترل کوانتومی دقیق بیشترین حساسیت را دارند.

در مطالعات مربوط به HCl پیشرفت های چشمگیری حاصل شده است و تمام فناوری های مورد نیاز برای ساخت ساعت با استفاده از چنین یون هایی فقط در سال جاری نشان داده شد. با این وجود این پیشرفت به دلیل استفاده از طیف سنج اتمی معمولی برای شناسایی و اندازه گیری انتقال مناسب برای استفاده در ساعت اتمی با مشکل روبه رو شد.

روش شوسلر و همکاران

ویژگی های این انتقال ها به معنای این است که آن ها بسیار ضعیف هستند (احتمال انتقال کم است)؛ بنابراین شوسلر و همكاران از یک روش کاملاً متفاوت و مبتکرانه برای اندازه گیری تغییر انرژی که در طی یک انتقال ضعیف در یک یون رنیوم با بار زیاد (Re+۲۹) لازم است، استفاده کردند. آن ها از اصل مشهور انیشتین برای هم ارزی انرژی با جرم E = mc۲ برای تبدیل استفاده کردند.

شوسلر و همکارانش تغییر انرژی ساعت اتمی را چگونه اندازه گیری کردند؟

PENTATRAP

ایده اصلی به این صورت است؛ که یک یون منفرد را در یک تله Penning به دام بیاندازند- وسیله ای که ذرات باردار را با استفاده از میدان های مغناطیسی و الکتریکی محصور می کند. با اندازه گیری فراوانی حرکت یون در یک میدان مغناطیسی (فرکانس سیکلوترون) می توان جرم یک یون را در یک تله Penning تعیین کرد. انرژی اتصال یک اتم یا یون، انرژی لازم برای شکسته شدن اتم به الکترون های آزاد و هسته آن است. در حالت متاستاز با انرژی موجود در حالت زمین متفاوت است. بنابراین جرم نیز تغییر می کند که به نوبه خود، فرکانس سیکلوترون را تغییر می دهد.

شوسلر و همکاران در آزمایشات خود، نسبت (R) فرکانس سیکلوترون Re+۲۹ در حالت پایدار و برانگیخته را اندازه گیری کردند. از آنجا که اختلاف انرژی دو حالت Re+۲۹ در مقایسه با کل انرژی یون بسیار اندک است ؛ دقت اندازه گیری باید فوق العاده زیاد باشد. نویسندگان با استفاده از دستگاه معروف به PENTATRAP ، R را با دقت اندازه گیری کردند.

مکانیسم دستگاه PENTATRAP چگونه است؟

PENTATRAP از پنج تله Penning خنک شده ( دمای ۴ کلوین-شکل ۱) تشکیل شده است. تله های ۲ و ۳ برای اندازه گیری فرکانس سیکلوترون مورد استفاده قرار می گیرند؛ در حالی که از تله های ۱ و ۴ برای ذخیره یون ها استفاده می شود. تله ۵ در آزمایش های فعلی استفاده نشده است؛ اما امکان نظارت بر نوسانات در میدان مغناطیسی و سایر متغیرهای آزمایشی را در آینده فراهم می کند.

شکل ۱ | اندازه گیری جرم یونی ببا بار زیاد. شوشلر و همكارانش از ابزاری به نام PENTATRAP كه شامل پنج تله یونی انباشته شده است استفاده كردند؛ تا تعیین كنند كه چگونه توده یون رنیوم Re29 در حالت پایدار خود (یونهای آبی) و در یك حالت برانگیخته (یونهای قرمز) متفاوت است. نویسندگان سه یون را در موقعیت اول خود (تله های ۲-۴) در ۴ کلوین ضبط کردند ، و همزمان فرکانس سیکلوترون – فرکانس حرکت یک یون را در یک میدان مغناطیسی – از یون های موجود در تله های ۲ و ۳ اندازه گیری کردند. سپس به موقعیت دوم خود انتقال یافتند، به طوری که یون های موجود در تله های ۲ و ۳ متفاوت تر از حالتی بودند که در موقعیت اول به دام افتادند. فرکانس های سیکلوترون یون ها در آن تله ها اندازه گیری شد و کل توالی چندین بار تکرار شد. از نسبت فرکانس های سیکلوترون یون ها در دو حالت مختلف، نویسندگان تفاوت مرتبط در جرم یون را تعیین کردند و بنابراین تغییر انرژی که هنگام انتقال یونی Re+۲۹بین حالت ها اتفاق می افتد، تعیین می شود. استفاده از طیف سنجی اتمی معمولی چنین اندازه گیری دشوار خواهد بود.

شرح آزمایش

پژوهشگران سه یون را درون تله های درونی قرار دادند، به طوری که یون های موجود در تله های ۲ و ۴ در یک حالت قرار گرفتند (یا حالت متاستاز یا حالت پایه) و یون موجود در تله ۳ در حالت جایگزین قرار داشت.

ابتدا فرکانس سیکلوترون یون ها را در تله های ۲ و ۳ به طور همزمان اندازه گیری کردند. سپس آن ها سه یون را به وسیله یک تله به بالا منتقل کردند و به طور مؤثر حالت های یون ها را در تله های ۲ و ۳ تغییر دادند (حالات یون ها تغییر نکردند، فقط موقعیت آن ها تغییر یافت-شکل ۱) و همزمان فرکانس های سیکلوترون آن ها را اندازه گرفتند. سه یون با یک تله به پایین منتقل شدند و چرخه دوباره شروع شد.

به طور کلی، حالت های الکترونیکی در تله های ۲ و ۳ بارها تعویض می شدند و بعد از هر تعویض اندازه گیری همزمان انجام می شد.

مزیت استفاده از این روش آزمایش

این روش آزمایشی، همراه با طراحی دستگاه PENTATRAP، اثر تغییرات میدان مغناطیسی بر R را سرکوب می کند؛ بنابراین اجازه می دهد R با دقت بالایی تعیین شود. اختلاف انرژی بین حالت های پایدار و برانگیخته می تواند با استفاده از R و جرم یون در نوع معادله انیشتین محاسبه شود. جرم واقعی یون فقط باید با دقت ۵-۴ شناخته شود.

این اولین تظاهرات این روش برای اندازه گیری انرژی منتقل شده در HCI ها را دارد که اندازه گیری آن ها با استفاده از روش های معمولی دشوار است. علاوه بر این تغییر انرژی اندازه گیری شده توسط شوسلرو همکارانش مطابق با پیش بینی محاسبات نظری پیشرفته نویسندگان است. این توافقنامه نشان می دهد که تئوری را می توان برای پیش بینی انرژی انتقال در HCI ها استفاده کرد که از این طریق کشف انتقال های بیشتر را تسهیل می کند.
انرژی منتقل شده که در کار فعلی اندازه گیری می شود، مربوط به فرکانس خارج از محدوده لیزرها است که می توانند در یک ساعت استفاده شوند.

با این حال نویسندگان توجه دارند که می توان از روش آن ها برای اندازه گیری گذارهایی استفاده کرد که دارای فرکانس های کمتری برای توسعه ساعت در آینده نزدیک هستند.

مقاله مرتبط: ماده تاریک چیست؟

ساعت های وابسته به انتقال HCl

ساعت اتمی مبتنی بر انتقال HCI بسیار شگفت انگیز هستند؛ زیرا می توان از آن ها در تست های دقیق استفاده کرد که به اندازه کافی حساس هستند تا بتوانند فیزیک را فراتر از مدل استاندارد ذرات و فعل و انفعالات تشخیص دهند؛ مانند تغییرات ثابت های بدنی اساسی و نقض تغییرات Lorentz2 (سنگ بنای فیزیک که بعنوان پایه ریاضی تئوری نسبیت ویژه انیشتین عمل می کند). همچنین چنین ساعت هایی به ویژه در مورد اثرات ماده تاریک کاربرد دارند.

در چند سال گذشته پیشرفت چشمگیر در کنترل HCI حاصل شده است و راه را برای ادامه ی این برنامه ها هموار می کند. طیف سنجی جرمی دقیق که توسط PENTATRAP فعال می شود، کاربردهای ارزشمند دیگری نیز دارد؛ مانند آزمایش های اصل هم ارزی انرژی- جرم، تعیین های تجربی از جرم ذرات نوترینو و آزمایش های الکترودینامیک کوانتومی(نظریه ای که تعامل بین نور و ذره را توصیف می کند.) استفاده می گردد.

سنا محمد علیزاده رامی


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *