Изследователи от Университета в Упсала разработиха нов начин за измерване на времето, който не изисква известна начална точка, или „време нула“, както при конвенционалните часовници. Вместо да се измерва от точния момент, в който започва дадено събитие, методът работи чрез наблюдение на промените в атомите на хелия във времето, след като те бъдат изложени на къси светлинни импулси. Този подход може да бъде полезен в експерименти, при които е трудно или дори невъзможно да се определи кога точно е започнал изследваният процес.

Методът използва атоми на хелий, които се поставят в т.нар. суперпозиции на състояния на Ридберг с помощта на къси светлинни импулси. Състоянията на Ридберг са силно възбудени атомни състояния, при които електронът е абсорбирал достатъчно енергия, за да се отдалечи значително от ядрото на атома, което прави атома особено чувствителен към околната среда. Суперпозицията означава, че атомът съществува в комбинация от няколко квантови състояния едновременно, което позволява на изследователите да изучават как тези състояния се развиват заедно. Вместо да измерват от момента, в който тези състояния се създават, изследователите изучават колко вероятно е атомите да бъдат йонизирани от втори светлинен импулс. Йонизацията е процесът на отнемане на един или повече електрони от атома, превръщайки го в заредена частица, наречена йон. Чрез сравняване на тези резултати с теоретични модели те могат да изчислят колко време е изминало от момента на образуването на състоянията на Ридберг.

„Може да го сравните с това как, когато погледнете ролетката, виждате колко сте се отдалечили от началната точка. Независимо дали става дума за 5 сантиметра или 4000 метра, ние успяхме да покажем, че е възможно да се определи вероятността тези състояния на Ридберг да бъдат йонизирани от друг светлинен импулс. И като изследвахме само кратък времеви интервал, чрез сравнение с теоретични модели успяхме директно да определим колко време е изминало от създаването на състоянията на Ридберг“, казва Йохан Сьодерстрьом, който ръководи изследователската група в Отдела по наука за рентгеновите фотони към Катедрата по физика и астрономия.

Изследователите твърдят, че променящите се състояния на Ридберг създават уникален модел, или „отпечатък“, с течение на времето. Този модел произтича от еволюцията на атомен вълнов пакет – група от припокриващи се квантови състояния, които се променят заедно във времето. Чрез разчитането на този отпечатък те могат да определят колко време е изминало от създаването на вълновия пакет. За разлика от обикновения часовник, който отмерва времето от фиксирана начална точка, този метод определя изминалото време директно въз основа на текущото състояние на атомите. Според изследователите „отпечатъкът“ предоставя и вграден начин за потвърждаване на точността на измереното време.

Изследването съчетава теоретично моделиране с експерименти по фотоелектронна спектроскопия с времева разделителна способност – техника, при която се използват два светлинни импулса, синхронизирани с прецизна точност. Първият импулс възбужда атомите, докато вторият отнема електрони от тях, което позволява на изследователите да наблюдават как атомите се променят в изключително кратки времеви мащаби. Експерименталните резултати съвпаднаха в голяма степен с теоретичните предсказания. Изследователите установиха също, че променящото се поведение на атомните състояния може да се използва за изучаване на свойствата на атомите на хелия, известни като квантови дефекти. Това са малки разлики между очакваната и действителната енергия на състоянията на Ридберг, които помагат на учените да разберат по-добре атомната структура.

За да обяснят идеята, изследователите я сравняват с отчитането на ролетка. Не е необходимо да наблюдавате как някой започва да измерва, за да знаете разстоянието. Достатъчно е да погледнете текущата позиция на лентата, за да прецените колко далеч е тя от началната точка. По същия начин техният метод не се нуждае от наблюдение на „момент нула“, за да определи колко време е изминало.

Екипът установи също, че необходимото количество данни зависи от изминалото време. Кратките периоди на наблюдение са достатъчни за събития, които са се случили наскоро, докато за измерване на събития, по-отдалечени от неизвестната начална точка, са необходими по-дълги периоди. Изследователите сравняват това с използването на ролетка, при което за отбелязване на разстояние от 4 милиметра е необходим само малък участък, докато за измерване на 500 милиметра се изисква много по-дълъг участък.

Голяма част от изследването беше проведено по време на пандемията от COVID-19. Тъй като много части от Университета в Упсала бяха временно затворени, изследователите имаха възможност да прекарват продължителни периоди в лабораторията HELIOS в лабораторията „Ангстрьом“ в Упсала, където тестваха експерименталния подход.

Екипът планира по-нататъшни теоретични изследвания, свързани с молекулни системи. Те искат да проучат дали методът може да се използва за изследване на това как молекулите се разпадат и как този процес засяга състоянията на Ридберг. Ако това се окаже успешно, техниката би могла да се приложи към по-широк спектър от физични системи.

Изследователите посочват, че методът не е предназначен да замести конвенционалните часовници. Вместо това той би могъл да се превърне в полезен инструмент за спектроскопията „помпа-зонда“ – техника, при която се използва един светлинен импулс за задействане на процес, а втори импулс – за наблюдение на промените му във времето. Това позволява на учените да изследват физични и химични процеси, протичащи изключително бързо. При тези експерименти често е трудно да се определи точният момент на началото. Новият подход би могъл да осигури абсолютен времеви отпечатък, без първо да се налага да се намира „време нула“, като се разчита изцяло на квантовомеханичното поведение, а не на механизъм за отчитане.

Снимка: Unsplash

Виж още: Телефон или нещо друго? SpaceX разполага с прототип на ИИ устройство