Dipol atom pada kisi berinteraksi untuk menghasilkan pergeseran frekuensi yang bervariasi secara spasial yang dapat diamati (ditunjukkan sebagai biru ke merah). Kredit: Steven Burrows/Grup Ye
Dalam penelitian inovatif, para ilmuwan JILA dan NIST telah meningkatkan pemahaman tentang ketepatan jam atom dengan mempelajari pergeseran kooperatif Lamb pada atom strontium-87 dalam kisi kubik.
Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan dalam jurnal Sains pada tanggal 25 Januari, Rekan JILA dan NIST (Institut Standar dan Teknologi Nasional) dan profesor fisika Universitas Colorado Boulder Jun Ye dan tim penelitinya telah mengambil langkah signifikan dalam memahami struktur cahaya yang rumit dan kolektif.atom interaksi dalam jam atom, jam paling tepat di alam semesta.
Dengan menggunakan kisi kubik, para peneliti mengukur pergeseran energi spesifik dalam susunan atom strontium-87 akibat interaksi dipol-dipol. Dengan kepadatan atom yang tinggi, pergeseran frekuensi tingkat mHz ini—yang dikenal sebagai pergeseran kooperatif Lamb—dipelajari secara spektroskopi. Pergeseran ini dipelajari secara spasial dan dibandingkan dengan nilai yang dihitung menggunakan teknik spektroskopi pencitraan yang dikembangkan dalam percobaan ini.
Pergeseran Lamb yang kooperatif ini, dinamakan demikian karena kehadiran banyak atom identik dalam ruang yang terbatas dan mengubah struktur mode elektromagnetik di sekitarnya, merupakan faktor penting karena jumlah atom dalam jam terus bertambah.
“Jika Anda dapat memahami dan mengendalikan interaksi ini pada kepadatan tinggi dalam jaringan ini, Anda selalu dapat membuat jaringan tersebut semakin besar,” jelas mahasiswa pascasarjana JILA, William Milner, penulis kedua makalah tersebut. “Ini adalah teknologi yang secara inheren dapat diskalakan, penting untuk meningkatkan kinerja jam.”
Waktu dalam Kubus
Jam atom, yang telah lama dianggap sebagai puncak presisi, beroperasi berdasarkan prinsip mengukur frekuensi cahaya yang diserap atau dipancarkan oleh atom. Setiap detak jam ini diatur oleh osilasi superposisi kuantum elektron dalam atom-atom ini, yang distimulasi oleh energi yang sesuai dari laser penyelidik. Laser mengeksitasi atom ke dalam keadaan kuantum yang dikenal sebagai keadaan jam.
Sementara jam kisi optik yang lebih tradisional menggunakan kisi optik satu dimensi, yang menekan pergerakan atom hanya dalam satu arah yang sangat terbatas, jam gas kuantum strontium yang digunakan dalam penelitian ini membatasi atom ke segala arah dengan menempatkannya dalam susunan kubik. Meskipun penggunaan kisi 3D merupakan geometri jam yang menarik, hal ini juga memerlukan penyiapan gas kuantum atom yang sangat dingin dan memasukkannya secara hati-hati ke dalam kisi.
“Ini lebih rumit, namun memiliki beberapa manfaat unik karena sistem ini memiliki lebih banyak sifat kuantum,” Milner menjelaskan.
Dalam fisika kuantum, penataan ruang partikel sangat mempengaruhi perilakunya. Dengan keseragaman dan keseimbangannya, kisi kubik menciptakan lingkungan terkendali di mana interaksi atom dapat diamati dan dimanipulasi dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Menonton Interaksi Dipol-Dipol
Dengan menggunakan kisi kubik, Ross Hutson (lulusan Ph.D. JILA baru-baru ini), Milner, dan peneliti lain di lab Ye, mampu memfasilitasi dan mengukur interaksi dipol-dipol antara atom strontium. Pergeseran ini, yang biasanya sangat kecil sehingga diabaikan, timbul dari interferensi kolektif antara atom-atom yang berperilaku sebagai dipol ketika atom-atom tersebut disusun dalam superposisi dua keadaan jam.
Karena susunan spasial atom dalam kisi kubik mempengaruhi kopling dipolar, peneliti dapat memperkuat atau mengurangi interaksi dipol dengan memanipulasi sudut jam laser relatif terhadap kisi. Beroperasi pada sudut khusus—sudut Bragg—para peneliti memperkirakan adanya interferensi konstruktif yang kuat dan mengamati pergeseran frekuensi yang lebih besar.
Melihat Pergeseran Domba Koperasi
Dengan interaksi dipol-dipol yang lebih kuat yang terjadi di dalam kisi, para peneliti menemukan bahwa interaksi ini menciptakan pergeseran energi lokal di seluruh sistem jam.
Pergeseran energi ini, atau pergeseran kooperatif Lamb, merupakan dampak yang sangat kecil dan biasanya sulit dideteksi. Ketika banyak atom dikelompokkan, misalnya dalam kisi jam kubik, pergeseran ini menjadi urusan kolektif dan terlihat dari presisi pengukuran jam yang baru dicapai. Jika tidak dikendalikan, hal ini dapat mempengaruhi ketepatan dari jam atom.
“(Pergeseran) ini awalnya diusulkan pada tahun 2004 sebagai hal futuristik yang perlu dikhawatirkan (untuk akurasi jam),” tambah Milner. “Sekarang, mereka tiba-tiba menjadi lebih relevan (saat Anda menambahkan lebih banyak atom ke kisi).”
Seolah-olah mengukur pergeseran ini tidak cukup menarik, yang lebih menarik lagi adalah para peneliti melihat bahwa pergeseran kooperatif Lamb tidak seragam di seluruh kisi, namun bervariasi tergantung pada lokasi spesifik masing-masing atom.
Variasi lokal ini penting untuk pengukuran jam: hal ini menyiratkan bahwa frekuensi osilasi atom, dan karenanya ‘detik’ jam, dapat sedikit berbeda dari satu bagian kisi ke bagian kisi lainnya. Ketergantungan spasial pada shift kerja Domba merupakan pergeseran sistematis yang penting untuk dipahami seiring upaya para peneliti untuk meningkatkan ketepatan ketepatan waktu.
“Dengan mengukur pergeseran ini dan melihatnya selaras dengan nilai prediksi kami, kami dapat mengkalibrasi jam agar lebih akurat,” kata Milner.
Dari pengukuran mereka, tim menyadari ada hubungan erat antara pergeseran kooperatif Lamb dan arah propagasi laser probe jam di dalam kisi. Hubungan ini memungkinkan mereka menemukan sudut tertentu di mana “zero cross” diamati dan tanda pergeseran frekuensi bertransisi dari positif ke negatif.
“Ini adalah keadaan kuantum tertentu yang tidak mengalami pergeseran Lamb secara kolektif (superposisi yang setara antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi),” jelas mahasiswa pascasarjana JILA, Lingfeng Yan. Bermain-main dengan hubungan antara sudut propagasi laser terhadap kisi kubik dan pergeseran kooperatif Lamb telah memungkinkan para peneliti untuk menyempurnakan jam lebih jauh agar lebih kuat melawan pergeseran energi ini.
Menjelajahi Fisika Lainnya
Selain mengendalikan dan meminimalkan interaksi dipol-dipol dalam kisi kubik, para peneliti JILA berharap dapat menggunakan interaksi ini untuk mengeksplorasi fisika banyak benda dalam sistem jam mereka.
“Ada beberapa fisika menarik yang terjadi karena Anda memiliki dipol-dipol yang saling berinteraksi,” Milner menjelaskan, “Jadi orang-orang, seperti Ross Hutson, mempunyai ide untuk bahkan berpotensi menggunakan interaksi dipol-dipol ini untuk pemerasan putaran (sejenis belitan kuantum) untuk membuat jam yang lebih baik lagi.”
Referensi: “Pengamatan pergeseran Domba kooperatif tingkat milihertz dalam jam atom optik” oleh Ross B. Hutson, William R. Milner, Lingfeng Yan, Jun Ye dan Christian Sanner, 25 Januari 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adh4477
Pekerjaan ini didukung oleh Quantum Systems Accelerator, Pusat Penelitian Sains Informasi Kuantum Nasional Departemen Energi AS; bersama dengan Institut Tantangan Lompatan Kuantum National Science Foundation (NSF), dan Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST).
