Dipol atom pada kisi berinteraksi untuk menghasilkan pergeseran frekuensi yang bervariasi secara spasial yang dapat diamati (ditampilkan dalam warna 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 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) serta profesor fisika Universitas Colorado Boulder Jun Ye dan tim penelitinya telah mengambil langkah signifikan dalam memahami struktur cahaya yang kompleks dan kolektif.atom interaksi dalam jam atom, jam paling presisi 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—dikenal sebagai pergeseran Lamb kooperatif—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 adanya banyak atom identik dalam ruang terbatas dan perubahan struktur mode elektromagnetik di sekitarnya, merupakan faktor penting karena jumlah atom dalam jam terus meningkat.
“Jika Anda dapat memahami dan mengendalikan interaksi dengan kepadatan tinggi di jaringan ini, Anda selalu dapat membuat jaringan lebih besar,” jelas William Milner, mahasiswa pascasarjana JILA, penulis kedua makalah tersebut. “Ini pada dasarnya adalah teknologi yang dapat diskalakan, yang penting untuk meningkatkan kinerja jam tangan.”
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 probe. 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 dengan hati-hati ke dalam kisi.
“Ini lebih rumit, namun memiliki beberapa manfaat unik karena sistem ini memiliki lebih banyak sifat kuantum,” jelas Milner.
Dalam fisika kuantum, susunan spasial 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 laboratorium Ye, mampu memfasilitasi dan mengukur interaksi dipol-dipol antara atom strontium. Pergeseran ini, yang biasanya sangat kecil sehingga dapat diabaikan, timbul dari interferensi kolektif antara atom-atom yang berperilaku seperti 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 Koperasi Domba
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 Domba yang kooperatif, 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 dalam pengukuran jam presisi yang baru dicapai. Jika tidak dikendalikan, hal ini bisa berdampak 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 kisi lainnya. Ketergantungan spasial pada shift kerja Lamb adalah pergeseran sistematis yang penting untuk dipahami seiring upaya para peneliti untuk meningkatkan akurasi ketepatan waktu.
“Dengan mengukur pergeseran ini dan melihatnya selaras dengan nilai prediksi kami, kami dapat mengkalibrasi jam menjadi lebih akurat,” kata Milner.
Dari pengukuran mereka, tim menyadari ada hubungan erat antara pergeseran kooperatif Lamb dan arah propagasi laser probe jam di dalam jaringan. 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 kolektif (superposisi setara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi),” jelas Lingfeng Yan, mahasiswa pascasarjana JILA. Bermain-main dengan hubungan antara sudut propagasi laser terhadap kisi kubik dan pergeseran kooperatif Lamb telah memungkinkan para peneliti untuk lebih menyempurnakan jam agar lebih kuat melawan pergeseran energi ini.
Menjelajahi Lebih Banyak Fisika
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 spin pemerasan (sejenis belitan kuantum) untuk menghasilkan jam tangan yang lebih bagus lagi.”
Referensi: “Pengamatan pergeseran Lamb 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 Quantum Nasional Departemen Energi AS; bersama dengan Institut Tantangan Lompatan Kuantum National Science Foundation (NSF), dan Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST).
NewsRoom.id
