Bilim adamları, karanlık madde arayışında ultra hassas kuantum sensörleri olan optik atomik saatlerden yararlanıyor. (Sanatçının konsepti.)
Evrenimizdeki maddenin %80’inden fazlasını oluşturan gizemli, görünmez madde olan karanlık madde arayışında bilim adamları ve mühendisler, yeni bir ultra-hassas malzemeye yöneliyor. araç: optik atom saati.
Atomların rezonans frekansını izlemek için ultra kararlı bir lazer kullanarak zamanı ölçen bu saatler, artık evrenin yaşına göre çalışsalar, saniyeden az kaybeder. Bu kararlılık aynı zamanda bu cihazların, karanlık maddeyi aramak için uzaya yerleştirilebilecek son derece hassas kuantum sensörleri gibi davranmasını da sağlar.
Atomik Saatleri Minyatürleştirmenin Zorlukları
Zorluk: Çalışmak için gereken ekipman lazerler, elektronik cihazlar ve soğutucular dahil olmak üzere bu tür ultra hassas saatler büyük bir masayı veya hatta bir odayı doldurabilir. Bu, onları uzaya fırlatmayı imkansız değilse bile çok pahalı hale getirir.
Fermilab araştırmacıları Hongzhi Sun ve Pamela Klabbers, çipi test standında test ediyor. Kredi: Ryan Postel, Fermilab
ABD Enerji Bakanlığı ve Savunma Bakanlığı ortak projesi üzerinde çalışan bilim adamları, bu unsurları bir ayakkabı kutusu boyutuna küçültmeyi amaçlıyor. DOE’nin Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratuvarı’ndan araştırmacılar, iki yılı aşkın bir çalışmanın ardından ilk umut verici sonuçları bildirdiler.
Fermilab araştırmacıları, kontrol için gereken kompakt elektroniği tasarladı ve geliştirdi MIT LL araştırmacıları, saati oluşturmak için gereken küçük iyon tuzaklarını ve bunlara karşılık gelen fotonikleri geliştirirken, cihaz içindeki voltajlar. Fermilab ekibi tarafından tasarlanan çip şu anda MIT LL’de test ediliyor.
“Bu, yüksek doğruluklu, az yer kaplayan bir atomik saate doğru atılan ilk adım,” dedi. laboratuvar için proje.
Karanlık Maddeyi Tespit Etmenin Yeni Bir Yolu
MIT LL’nin optik atomik saati, sensör olarak bir iyon tuzağı kullanır; bu durumda, bir elektrik tarafından hapsedilmiş bir Stronsiyum iyonu alan. Bir lazer, saatin osilatörü görevi görerek, iyonun iki nicelenmiş enerji düzeyi arasındaki geçişinin salınım frekansını ölçer.
Bu tür bir kompakt atomik saat, ultra hafif karanlık maddeyi aramak üzere uzaya konuşlandırmak için ideal olabilir; elektron kütlelerinde salınımlara neden olmak için teorize edildi. Birkaç atomik saat uzaydaki bir karanlık madde kümesinden geçerse, karanlık madde her saatin ölçtüğü foton enerjisini artırabilir veya azaltabilir, bu da saatin “tik taklarını” değiştirebilir. Saatler, karanlık madde geçerken senkronize olmayacak ve ardından yeniden senkronize olacaktı.
Karanlık Madde Tespit Teknolojisini Geliştirme
Araştırmacılar, bu deneyleri, her biri farklı bir teknolojiye dayalı birden çok atomik saat içeren GPS uyduları ile gerçekleştirdi. Ancak bu deneylerde karanlık maddeye dair hiçbir kanıt bulamadılar. Araştırmacılar, belki de karanlık maddenin daha hassas bir saatle tespit edilebileceğini düşündüler.
Çipin grafiksel sunumu. Kredi: Samantha Koch, Fermilab
DoD tarafından finanse edilen MIT LL araştırmacıları, lazer dağıtımını ve algılamayı tek bir çipte entegre ederek, hapsolmuş iyon atomik saatini küçülttü. Ancak sistemi tamamlamak için MIT LL araştırmacılarının minyatür atomik ve fotonik bileşenlerden daha fazlasına ihtiyacı vardı. Minyatür bir elektronik kontrol sistemi tasarlamak için yardıma ihtiyaçları vardı. İşte burada Fermilab devreye girdi; DOE’nin yüksek enerji fiziği QuantISED programı, elektronik geliştirme ve entegrasyonu finanse etti.
“Çarpıştırıcı fiziği için kompakt elektronik geliştirme konusunda 30 yıldan fazla deneyime sahibiz ve zorlu ortamlar için çipler geliştirdik,” dedi Fahim. “Bu, atomları kontrol etmek ve durumlarını okumak için gereken elektroniklerden farklı değil.”
“Bu, farklı devlet laboratuvarlarının benzersiz yeteneklerinden gerçekten yararlanan bir proje,” dedi. proje için fotonik iyon tuzağı çipinin geliştirilmesi.
Kompakt Elektroniği İyon Tuzağıyla Entegre Etme
Zorluk, sistem için gereken yüksek voltajları kontrol edebilen küçük bir çip yaratmada yatar — en az 20 volt — hem yüksek hızı korurken hem de düşük güç kullanırken. Bir yarı iletken üreticisiyle çalışan Fermilab ekibi yakın zamanda dokuz volta kadar kontrol edebilen bir çip yarattı. Projenin baş çip tasarımcısı Hongzhi Sun, “Aynı zamanda düşük voltaj gürültüsüne sahip olduğundan iyonun kuantum durumunu bozmayacaktır” dedi.
Test için hazır: Çipin özel test panosu, test ekipmanına bağlanır. Çip, panoya tel ile bağlanmıştır ve kare beyaz plastik kapakla korunmaktadır. Kredi: Ryan Postel, Fermilab
MIT LL araştırmacıları şimdi, iki çipi üst üste istiflemelerine ve bunları yollar aracılığıyla birbirine bağlamalarına olanak tanıyan bir teknik aracılığıyla çipi iyon tuzağıyla entegre etmeyi amaçlıyor. veya katmanlar arasındaki elektrik bağlantıları. Fermilab araştırmacıları daha sonra voltajı 20 volta çıkarmak için elektronik tasarımı bilemeye devam edecekler. Amaç, 10-18 frekans belirsizliğine sahip kompakt bir atomik saat yaratmaktır.
Karanlık Maddenin Ötesinde: Diğer Uygulamalar
McConnell, “Bu işbirliği bize her iki dünyanın da faydalarını sağlıyor,” dedi. “Fermilab tasarım devrelerine sahip olarak ve bunları iyon tuzaklarımıza entegre ederek, iyi kontrol edilebilir kuantum sensörleri oluşturabiliriz.”
Saatler, uzay savunması dahil olmak üzere yüksek enerjili fizik araştırmalarının ötesinde ve hatta aşırı derecede kullanılabilir. tsunamileri veya depremleri tahmin edebilen hassas sensörler. Bu iyon tuzakları aynı zamanda gelecekteki kuantum bilgisayarların temelini oluşturabilir.
“DOD ve DOE için uygulama hedeflerinde büyük bir eşitsizlik var, ancak altta yatan teknoloji geliştirmede eşit derecede zorlayıcı bir sinerji var; sadece birlikte çalışmanın yollarını bulmamız gerekiyor,” dedi Fahim.