Uppsala istraživači razvili su „kvantni sat“ (QUBS) koji koristi kratke isečke interferencionih obrazaca u Rydberg stanjima helijuma da bi odredio proteklo vreme bez brojanja oscilacija od vremena nula. Metod postiže procenjenu tačnost od oko 8 femtosekundi, otkriva drift u klasičnim sistemima za odlaganje (~90 fs u jednom primeru; ~1 fs/ps) i može se prilagoditi drugim plemenitim gasovima i ionskim sistemima.
Kvantni „sat“ iz Uppsale: Merenje vremena čitanjem interferencijskih otisaka umesto brojanja taktova
A quantum watch uses interference in excited helium atoms to measure elapsed time without counting from a defined starting point. (CREDIT: Shutterstock)
Istraživači sa Univerziteta Uppsala predstavili su novu metodu za određivanje proteklog vremena zasnovanu na kvantnoj interferenciji u jako pobuđenim (Rydberg) atomima helijuma. Umesto da broji ponavljajuće oscilacije od unapred definisanog početka, sistem čita jedinstvene kratke isečke interferencionih obrazaca — nazvane QUBS (QuasiUnique Beat Signatures) — i upoređuje ih sa teorijom kako bi odredio kada je talasni paket nastao.
An ultrashort XUV pulse, shown in purple, with center energy close to the ionization threshold, is used for creating a coherent superposition of Rydberg states. (CREDIT: Johan Söderström et al, Physical Review Research)
Kako radi „kvantni sat"?
Metoda počiva na Rydberg talasnim paketima, koherentnim superpozicijama visokih atomski stanja čije se faze razlikovito razvijaju u vremenu. Kada se uzbude mnogobrojna Rydbergova stanja, rezultat je složen interferencioni obrazac koji se menja s vremenom. Kratki isečak takvog obrasca funkcioniše kao vremenski otisak — jedinstveni potpis koji odgovara određenom proteklom vremenu od momenta pobude.
(a) Experimental photoelectron yield map as a function of the delay between XUV and NIR pulses. (b) Simulated photoelectron yield map using 24.587 eV XUV central energy and 0.09433 eV XUV bandwidth. (CREDIT: Johan Söderström et al, Physical Review Research)
Eksperiment u HELIOS laboratoriji
Tokom eksperimenta, ultrakratki XUV impulsi pobuđivali su helijum u Rydbergova stanja (glavni kvantni broj od ~10 do praga jonizacije). Odloženi blisko-infracrveni NIR impuls je potom jonizovao atome, a tim je merio izlaz fotoelektrona dok je menjao kašnjenje sondnog impulsa pomoću motorisanog stejdža.
Experimental energy integrated photoelectron yield (black line) measured between 0 and 81 ps. Insets (a) and (b) show the section between 0 and 5 ps. Panels (c) and (d) show the section between 75 and 80 ps. (CREDIT: Johan Söderström et al, Physical Review Research)
Posmatrani fotoelektronski signali izgledali su kompleksno, ali su teoretski proračuni reprodukovali skoro sve detalje. Testiran je i efekat kvantnih defekata: tokom prvih nekoliko pikosekundi proračuni sa i bez defekata podudarali su se sa eksperimentom, dok su oko ~80 ps podaci zahtevali uključene kvantne defekte; fit je dao faktor 0,98 ± 0,08 za teorijske vrednosti.
(a) The proportion of experimental slices, with different lengths, that were assigned a correct time delay when compared to a 10 ns simulated range. (b) The difference between QUBS-time and DS-time for 24 slices that are 2 ps long, with starting point given by the horizontal axis. (CREDIT: Johan Söderström et al, Physical Review Research)
„Mogli smo da uporedimo verovatnoću jonizacije Rydberg stanja u kratkom vremenskom prozoru sa dugom teorijskom vremenskom osi i direktno očitamo koliko je vremena proteklo od kreiranja stanja,“ rekao je Johan Söderström iz grupe za X-ray Photon Science pri Odeljenju za fiziku i astronomiju Univerziteta Uppsala.
Tačnost i praktična upotreba
Tim je pokazao da kratki isečci od 1,7–3 pikosekunde (ps) mogu jednoznačno da identifikuju mesto na teorijskoj vremenskoj osi do opsega od 10 ns; kraći prozor od 0,7 ps uspevao je svega u 41,7% slučajeva. Za merenja do 100 ns bio bi potreban prozor oko 3 ps. Pošto visoka Rydbergova stanja mogu opstati znatno duže od mikrosekunde, metod poseduje veliki dinamički opseg za ultrabrza merenja.
QUBS je takođe poslužio kao nezavisan kontrolni instrument: poređenjem vremena dobijenog metodom QUBS sa vremenom konvertovanim iz pozicije mehaničkog stejdža (DS-time), istraživači su otkrili postepeni drift — primereno odstupanje od ~90 femtosekundi u jednom merenju i prosečan drift od ~1 femtosekunde po pikosekundi odlaganja. Najmanji kvadrati mogli su da usklade eksperimentalne podatke s teorijom unutar ~1 fs, dok su autori procenili ukupnu tačnost QUBS-a na oko 8 fs.
Mogućnosti proširenja i budući rad
Autori naglašavaju da QUBS nije zamišljen da zameni atomske ili mehaničke satove, već da posluži tamo gde je teško pouzdano utvrditi „vreme nula“ ili proveriti drift sistema za odlaganje. Metod se može prilagoditi drugim plemenitim gasovima (neon, argon, kripton, ksenon) kada je potrebna niža energija pumpe; ionski sistemi i molekuli takođe su potencijalne platforme, ali zahtevaju dodatna teorijska i eksperimentalna proučavanja, naročito zbog mogućih efekata fragmentacije.
Rad je objavljen u Physical Review Research, a eksperiment je izveden u HELIOS laboratoriji pri Ångström laboratoriji Univerziteta Uppsala.
Zaključak
Za oblasti ultrabrze fizike, gde su razlike od nekoliko femtosekundi značajne, QUBS nudi alternativni, intrinski način određivanja vremena: umesto da se broje ciklusi od poznatog početka, čita se promenljivi kvantni obrazac koji sadrži informaciju o proteklom vremenu.
Pomozite nam da budemo bolji.
