En grupp forskare har utvecklat en ”kvantklocka” baserad på dynamiken hos komplexa vågpaket av högexciterade Rydberg-tillstånd i helium. Denna teknik erbjuder en banbrytande metod för exakt tidsmätning utan att använda traditionella räknare eller mekaniska mekanismer. Kvantklockan har potential att bli ett ovärderligt verktyg inom pump-probe-spektroskopi och andra tidsberoende experiment.
Vad är en kvantklocka?
Kvantklockan bygger på unika mönster av kvantiska interferenser, kallade quasi-unik signatur (QUBS), som uppstår när ett vågpaket av Rydberg-tillstånd utvecklas över tid. Signaturerna fungerar som ”fingeravtryck” som exakt anger hur mycket tid som passerat sedan vågpaketet skapades.
Till skillnad från traditionella klockor, som räknar oscillationer med en fast frekvens, är kvantklockan helt kvantmekanisk och kräver endast interaktion vid start och avläsning.
Hur fungerar det?
- Skapandet av vågpaketet:
- En ultraviolett (XUV) pump-puls exciterar helium till ett vågpaket av Rydberg-tillstånd (med huvudkvanttalet n från 10 och uppåt).
- Därefter används en nära-infraröd (NIR) probe-puls för att jonisera det exciterade tillståndet.
- Mätning av interferensmönster:
- Fotoelektroner detekteras, och deras energifördelning och tidsutveckling registreras. Dessa data avslöjar QUBS-fingeravtrycket, vilket korrelerar med den tid som förflutit.
Fördelar med kvantklockan
- Hög precision: QUBS-mätningar kan mäta tid med en noggrannhet inom området femtosekunder (fs).
- Artefaktfri tidmätning: QUBS är oberoende av externa felkällor som driftsfel i mekaniska fördröjningssteg.
- Absolut tidsstämpel: Det behövs inte längre en ”tid noll” som referenspunkt, vilket förenklar tidsberoende experiment.
Experimentella resultat
- Forskarna uppnådde enastående överensstämmelse mellan experimentella data och teoretiska modeller, vilket validerade QUBS som en exakt tidsmätmetod.
- Ett experiment visade att en kvantdefekt (QD), en avvikelse i Rydberg-tillståndens energinivåer, kunde mätas med 8 % noggrannhet, vilket stärker QUBS noggrannhet till cirka 8 femtosekunder.
Användningsområden och framtida potential
- Pump-probe-spektroskopi: För att säkerställa stabila fördröjningstider i experiment som kräver noggrann tidskontroll.
- Flexibilitet: Kvantklockor kan justeras för att passa specifika experiment genom att använda olika gaser (t.ex. neon, argon) eller högre fotonenergier.
- Forskning om ljus-materia-interaktion: Utforska tidsberoende fenomen med aldrig tidigare skådad precision.
Slutsats
Kvantklockan representerar en revolutionerande utveckling inom tidsmätning och experimentell fysik. Genom att använda Rydberg-vågpaket och QUBS-teknik kan forskare uppnå enastående precision i tidsmätningar, vilket öppnar nya möjligheter inom kvantmekanik och tillämpad forskning.
Källa: Phys. Rev. Research 4, 043041 (2022).