Super-lysende atomer kan skubbe grænsen for hvor præcist vi kan måle tiden

Sekundet er den mest veldefinerede målenhed, vi har sammenlignet med fx kilogrammet, meteren eller Kelvin. Men det er nok de færreste af os, der tænker over, hvordan vores ure egentlig holder styr på tiden. Tiden bliver i dag målt af atomure forskellige steder i verden, som tilsammen fortæller os hvad klokken er. Ved hjælp af radiobølger sender atomurerne konstant signaler, som synkroniserer med vores computere, telefoner og armbåndsure.

Alle ure bruger svingninger til at holde tiden. I et bornholmerur er det pendulets svingning fra side til side hvert sekund, mens det i atomuret er et laserlys, der får strontium -eller cæsiumatomer til at svinge over svimlende en million milliarder gange for hvert sekund.   

Men ifølge Ph.d.-fellow Eliot Bohr fra Niels Bohr Institutet – og oldebarn til Niels Bohr – kan atomurene godt blive endnu mere præcise, end de er i dag. Det skyldes, at den laser, som de mest moderne atomure bruger til at aflæse atomernes svingning, også får atomerne til at forsvinde i en heftig opvarmning. Og det gør præcisionen mindre.  

”Fordi atomerne hele tiden skal udskiftes med nogle nye friske atomer, taber uret en lille smule tid. Derfor forsøger vi at overvinde nogle af de nuværende udfordringer og begrænsninger hos de bedste atomure i verden ved bl.a. at genbruge atomerne, så de ikke skal udskiftes så ofte,” forklarer Eliot Bohr, som var ansat på Niels Bohr Institutet da han lavede forskningen, men som nu er ansat på University of Colorado.  

Han er førsteforfatter til et nyt studie udgivet i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications, der udnytter en innovativ og måske mere effektiv måde at måle tiden på.

Superstråling og nedkøling til det absolutte nulpunkt

Den nuværende metode består af en varm ovn, som spytter ca. 300 millioner strontiumatomer ind i en isnende kold kugle af atomer, som kaldes en MOT eller Magneto-optical trap. Atomerne har en temperatur på cirka minus 273 grader – meget tæt på det absolutte nulpunkt – og to spejle med et lysfelt imellem sig til at forstærke atomernes interaktion.

Sammen med sine forskerkolleger har Eliot Bohr udviklet en ny metode til at udlæse atomernes tilstand.

”Når atomerne lander i vakuumkammeret ligger de helt stille, fordi der er så koldt, hvilket gør det muligt at aflæse deres svingninger med to spejle i hver sin ende af kammeret,” forklarer Eliot Bohr.   

Årsagen til at forskerne med denne metode ikke behøver at varme atomerne op med en laser og miste dem, er et kvantefysisk fænomen kaldet ’superradians’ eller superstråling. Fænomenet opstår, når gruppen af strontiumatomer sammenfiltres og på samme tid lyser op i det felt, som findes mellem de to spejle.

”Spejlene får atomerne til at reagere som en samlet enhed, og kollektivt udsender de et kraftigt lyssignal, som vi kan bruge til at aflæse deres svingninger med spejlene og dermed til at måle tiden. Det hele sker uden at varme atomerne ret meget op og derfor behøver vi ikke udskifte atomerne, og det har potentiale til at gøre det til en mere præcis målemetode,” forklarer Eliot Bohr.  

GPS, missioner i rummet og vulkanudbrud

Ifølge Eliot Bohr kan det nye forskningsresultat være gavnligt for at vores GPS-system bliver endnu mere præcist. For de cirka 30 satellitter, der konstant cirkler omkring Jorden og fortæller os, hvor vi er, har brug for atomurenes måling af tid.

”Hver gang satellitter bestemmer din telefon eller GPS’ position, bruger man et atomur, der sidder inde i satellitten. Atomurets præcision er så vigtig, at hvis det går bare et mikrosekund forkert, betyder det en unøjagtighed på 100 meter på Jordens overflade,” forklarer Eliot Bohr.

Forskeren ser også fremtidige rummissioner som et sted, hvor endnu mere præcise atomure vil gøre en væsentligt forskel.

”Når vi sender mennesker og fartøjer i rummet, er de endnu længere væk fra vores satellitter, og derfor er kravene meget højere til præcise tidsmålinger for at kunne navigere i rummet,” siger han.

Resultatet kan måske også hjælpe en ny generation af mindre bærbare atomure til verden, som kan bruges til andre ting end ”bare” måling af tiden. Atomure kan nemlig også bruges som sensorer, der fx kan hjælpe os med at forudsige det næste vulkanudbrud, før det opstår.  

”Atomure er meget følsomme over for ændringer i tyngdekraften, og derfor kan de muligvis bruges til at opfange ændringer i Jordens masse og tyngdekraft, så vi kan forudsige, hvor og hvornår vulkanudbrud opstår,” siger Eliot Bohr.

Forskeren understreger, at selvom den nye metode, der bruger superstrålende atomer, er meget lovende, er den stadig et "proof of concept", som skal forfines yderligere før den kan tages i brug.

Forskningen er udført af teamet af Jörg Helge Müller og Jan Thomsen ved Niels Bohr Institutet i samarbejde med ph.d.-studerende Sofus Laguna Kristensen og Julian Robinson-Tait samt postdoc Stefan Alaric Schäffer. Projektet omfatter også bidrag fra teoretikere Helmut Ritsch og Christoph Hotter fra University of Innsbruck, samt Tanya Zelevinsky fra Columbia University. Dette arbejde understreger vigtigheden af internationalt samarbejde inden for videnskaberne.