Запутывание атомных часов увеличило их точность
Британские физики измерили разность частот у двух оптических атомных часов на основе запутанных ионов стронция. Они опытным путем доказали, что запутывание часов положительно сказывается на точности измерения по сравнению с измерением на незапутанных или одиночных часах. В будущем это поможет преодолеть стандартный квантовый предел и сделать метрологию на основе атомных часов еще точнее. Исследование опубликовано в Nature.
Работа атомных часов, несмотря на свое название, сконцентрирована по большей части на точном измерении частоты, нежели времени. В оптическом варианте часов физики используют лазер для управления электронными колебаниями между основным и возбужденным состояниями атома. По характеру этих колебаний они могут определить, насколько частота лазера отличается от частоты атомного перехода.
Оптические атомные часы идеально подходят для исследования того, как на атомы влияют разнообразные тонкие эффекты, в том числе и те, которые могут быть ответственны за Новую физику. Для этого физики сравнивают частоты двух часов, побывавших в разных условиях. Например, таким способом они смогли почувствовать гравитационное красное смещение на перепаде высот всего в один миллиметр.
Работе часов может мешать множество шумов, в особенности флуктуации фазы лазера. Ученые активно ищут способы борьбы с шумами и повышения точности часов, например, с помощью введения синтетических частот. Шумы можно было бы минимизировать в том числе и за счет многократного измерения частоты, однако этот подход сталкивается с погрешностью, вносимой однократным измерением и обусловленной стандартным квантовым пределом, то есть влиянием измерения на сам объект. Подробнее про стандартный квантовый предел вы можете прочитать в материале «Далеко ли до предела?».
Для того чтобы ослабить эти ограничения, группа физиков из Оксфордского университета под руководством Кристофера Балланса (Christopher Ballance) и Дэвида Лукаса (David Lucas) предложила запутать атомные часы и измерять разность их частот с помощью одного лазера. В отсутствии запутанности такой подход помогает избавиться от шума, вызванного флуктуациями лазерной фазы, хотя фундаментальное ограничение неопределенности при измерении разности частот в корень из двух раз превышает таковое для одноатомного измерения. Теория же предсказывает, что в максимально запутанном состоянии оно, наоборот, будет в корень из двух раз меньше, а значит позволит преодолеть стандартный квантовый предел.
Для проверки этой идеи физики использовали два иона стронция-88, разделенных расстоянием в два метра. Ранее эта группа уже смогла добиться их запутанности в течение восьми миллисекунд со степенью совпадения (fidelity), равной 0,96. Для этого они направляли фотоны, спонтанно излученные ионами в состоянии с неопределенной проекцией полного момента, в анализатор состояния Белла, который устанавливал корреляцию между атомами. Авторы проводили прямое измерение разности атомных частот с помощью метода Рамзея и следили за коррелированным сигналом четности двух ионов. Такую же процедуру они повторили для незапутанных ионов, а также для измерения частоты одиночного иона.
Мерой неопределенности измерения частоты был контраст колебания сигнала четности с ростом фазы на одном из ионов. Физики сравнивали этот контраст для всех трех случаев в зависимости от длительности рамзей-измерения и конвертировали его в частоты. С ростом длительности частотная неопределенность во всех трех случаев уменьшалась до некоторого минимума, после чего начинался ее рост. При этом запутанность ионов давала ощутимое улучшение точности на всех временных интервалах.
Чтобы ощутить увеличение точности на практике, ученые немного сместили уровни одного из ионов за счет динамического эффекта Штарка, отстроив лазер. Конвертируя сигнал четности в разницу частот, они получили −8,8 ± 2,5 герц для незапутанных и −8,6 ± 0,6 герц для запутанных ионов. В таком эксперименте отношение неопределенностей оказалось больше двух, вопреки предсказаниям теории. Авторы связали этот избыток с членами в выражении для сигнала четности, которые отсутствуют в запутанном случае. По их мнению, это отношение приблизилось бы к двойке при увеличении времени измерения, однако в их установке такой возможности не было. Тем не менее, результаты физиков надежно свидетельствуют о том, что запутанность ионов эффективно снижает неопределенность в измерении частоты.
Ранее мы рассказывали, как сжатый свет помог охладить мембрану до состояния с энергией меньше стандартного квантового предела. О том, как это работает и помогает обнаружить гравитационные волны, читайте в материале «Точилка для квантового карандаша».
Марат Хамадеев
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.
