Fysikere har opdaget ny måde at måle tid på

Ved hjælp af såkaldte Rydberg-tilstande har forskere skabt et kvante-stopur, der ikke tæller sekunder. Du skal mere forestille dig en lineal, der kan måle tiden.

Ved hjælp af såkaldte Rydberg-tilstande har forskere skabt et kvante-stopur, der ikke tæller sekunder. Du skal mere forestille dig en lineal, der kan måle tiden.

Shutterstock

Digitale ure og atomure bliver konstant mere præcise. Ved at gentage en rytme og tælle tiden kan vi se, hvor meget tid, der går.

Nu har et hold fysikere fra Uppsala Universitet i Sverige og Tartu Universitet i Estland fundet en ny måde at måle tid på, som ikke kræver et tællemønster eller en tidsrytme.

I tidsskriftet Physical Review Research beskriver de udviklingen af et kvante-stopur, som bruger den såkaldte Rydberg-tilstand til at måle tid i laserbombarderede atomer.

Lyder det kringlet? Hæng på.

Som at måle tiden med en lineal

I et almindeligt stopur bevæger tiden sig i en rytme, som svarer til en tidsenhed – for eksempel et minut eller et sekund.

Rytmen markerer, hvor lang tid der går. For eksempel hvor mange sekunder det tager en person at løbe en bestemt afstand.

En måde at forestille sig et kvante-stopur på er at se det som en lineal.

På en lineal er afstanden markeret. Den tæller ikke hvor mange millimeter, der er gået fra et punkt til et andet i en rytme - den viser det bare.

Sådan fungerer et kvante-stopur også. Tidspunktet for en begivenhed afhænger ikke af en specifik rytme, men af udviklingen af et kvantesystem skabt af Rydberg-atomer, som måles med en laserimpuls.

Elektron-bølger i en kvantedam

Rydberg-atomer er atomer i en særlig type exciteret tilstand. Det betyder, at atomet har et højere energiniveau end sin grundtilstand, men det er stadig bundet til en tilstand.

Atomerne bliver beskudt med lasere for at presse deres elektroner til ekstremt høje energitilstande, hvilket skubber elektronerne længere væk fra atomets kerne.

laser atom

Med lasere kunne fysikerne både lade atomerne op med energi og samtidig aflæse dem efterfølgende for at finde en specifik tidsbestemmelse.

© David Monniaux

Derfor vil elektronerne bevæge sig i baner, der er længere væk fra atomets kerne end normalt. Dette beskriver atomets Rydberg-tilstand, som indgår i en såkaldt bølgepakke.

Når Rydberg-bølgepakker støder sammen med andre bølgepakker, der minder om dem, kan der opstå interferens, hvor de blander sig og får nogle unikke bølgemønstre.

Og har du flere af disse bølgepakker i samme kvante-”dam”, som forskerne kalder det, så får du en masse forskellige unikke blandingsmønstre.

Hvert unikke mønster repræsenterer den unikke tid, det har taget at udvikle sig sammenlignet med alle de andre mønstre i dens nærhed. Det skaber det, som forskerne kalder tidsstempler – en slags fingeraftryk i tiden.

1,7 billiontedel af et sekund

I en række eksperimenter testede forskerne disse tidsstempler for at se, om de kunne bruges som en ny måde at måle tid på.

Mere lavpraktisk så kan kvante-stopuret fortælle, hvor længe heliumatomer har eksisteret i en Rydberg-tilstand. Det er altså ændringer i elektronernes positioner i et atom, der måles.

Ved at bombardere disse heliumatomer med en laserpuls kombineret med korte impulser af ultraviolet lys, kunne forskerne måle tiden i et spektrum.

tids-spektrum

Det er i et spektrum som dette, at fysikerne kan aflæse tiden.

© Physical Review Research

Den tid kvante-stopuret kan måle kan virke uendeligt lille for os mennesker, men på kvanteniveau kan selv korte tidsintervaller som et sekund virke som millioner af år.

Håbet er, at metoden kan hjælpe forskere med at måle øjeblikke helt ned til 1,7 billiontedel af et sekund, uden at bruge visere eller tællere.

Mere præcist lavede forskerne målinger ned til 81 picosekunder (en trilliontedel af et sekund) , der havde en fejlmargin, som ikke var større end otte femtosekunder (en kvadrilliontedel af et sekund).

"Hvis du bruger en viser, skal du definere nul. Du begynder at tælle ud fra et tidspunkt,” fortæller en af forskerne bag uret, Marta Berholts fra Uppsala Universitet til netmediet New Scientist.

"Fordelen ved dette er, at du ikke behøver at starte uret - du ser bare på interferensstrukturen og siger 'okay, der er gået 4 nanosekunder’."

Forskerne mener, at kvante-stopuret kan bruges i blandt andet kvantecomputere ved komplicerede udregninger. Der går derfor nok lidt tid, før der ligger et kvantearmbåndsur i butikkerne.