این روش جدید به پژوهش‌گران اجازه می‌دهد تعداد اتم‌ها را (از مرتبه میلیون) در ابرهای فراسرد مشخص کرده و سپس همان تعداد را در آزمایش‌هایی قابل تکرار بازتولید کنند.

اتم‌هایی که می‌توانید آن‌ها را شمارش کنید. این روش جدید به پژوهش‌گران اجازه می‌دهد ابر بزرگی از اتم‌های فراسرد را به طور قابل اعتمادی و در چندین آزمایش ایجاد کرده به طوری که در هر آزمایش تعداد اتم‌ها تقریباً یکسان است (تصویر فارادی یکی از نمونه‌ها در این‌جا نشان داده شده است).

پژوهش‌گران اغلب برای اندازه‌گیری دقیق زمان، گرانش یا سایر پدیده‌ها ماهیت موجی اتم را در آزمایش‌ها در نظر می‌گیرند که مستلزم اندازه‌گیری‌های قابل تکرار ابرهای سردی از اتم‌ها است. روشی جدید برای تولید قابل تکرار ابرهایی تقریباً یکسان، متشکل از میلیون‌ها اتم ابداع شده است که عدم قطعیت را در این اندازه‌گیری‌ها کاهش خواهد داد. این روش شامل سیستم بازخوردگیری سریع است که در آن تعداد اتم‌ها با دقت اندازه‌گیری شده، تنظیم شده و دوباره اندازه‌گیری می‌شود. ایجاد ابرهایی مشابه از اتم‌ها با قابلیت بازتولید، عمل‌کرد ساعت‌های اتمی و سایر اندازه‌گیری‌های با دقت بسیار بالا را بهبود می‌بخشد.

تداخل‌سنج‌‌های اتمی از ماهیت موجی ماده بهره می‌برد که از آن‌ها برای اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده حساس زمان، میدان مغناطیسی و مقادیر ثابت‌های بنیادین استفاده می‌شود. هم‌چنین در مطالعه گرانش به طور گسترده این تداخل‌سنج‌ها به کار گرفته می‌شوند و به عنوان روشی برای آشکارسازی و اندازه‌گیری امواج گرانشی پیشنهاد شده است. تکرار یک اندازه‌گیری با یک تداخل‌سنج معمولاً به معنای به خدمت گرفتن تعداد متفاوتی از اتم‌هاست، که موجب بالا رفتن عدم قطعیت می‌شود. در سال‌های اخیر، پژوهش‌گران چندین روش را برای انتخاب دقیق حدود هزار اتم توسعه دادند، اما آماده کردن نمونه‌ای بزرگ‌تر از تعداد اتم‌هایی مشخص (از مرتبه میلیون) با دقت بالا و به شکلی قابل تکرار هم‌چنان موضوعی دشوار بوده است.

حال آندره هیلیارد از دانشگاه آرهوس دانمارک و هم‌کارانش سامانه‌ای را برای آماده‌سازی ابری بزرگ با تعداد مشخصی از اتم‌ها با عدم قطعیت پایین به نمایش گذاشتند. این گروه ادعا می‌کنند که روش آن‌ها اختلاف را در دو اجرا از حدود 10 درصد به کم‌تر از یک‌دهم درصد کاهش داده است.

این پژوهش‌گران در ابتدا ابری فراسرد از اتم‌های روبیدیم در دام مغناطیسی ایجاد کردند. آن‌ها تعداد اولیه اتم‌ها را از طریق تصویربرداری فارادی معین کردند. در این روش که میزان اختلالات کمینه است ضریب شکست ابر اتمی اندازه‌گیری می‌شود. آن‌ها برای بالا بردن دقت کار، 50 عدد از این تصاویر را سریع و پشت سر هم می‌گیرند. برای اجرای سریع مرحله بعد، و پیش از آن‌که خیلی از اتم‌ها از دام به بیرون نشت کنند، به جای رایانه معمولی از مدار مجتمعی استفاده می‌کنند که آرایه دروازه‌ای میدانِ-قابل برنامه‌ریزی (PFGA) نام دارد. FPGA تعداد اتم‌ها را از روی تصویر محاسبه می‌کند و معلوم می‌کند چه تعداد اتم باید برداشته شود. سپس سریعاً یک سری پالس‌های فرکانس رادیویی اعمال می‌شود که هر یک از آن‌ها به طور لحظه‌ای دام مغناطیسی را برای مدت زمانی کافی تضعیف می‌کند تا تعداد کمی از اتم‌ها فرار کنند. مجموعه 100 تایی دوم از تصاویر فارادی تعداد اتم‌ها را در نهایت تایید می‌کند و روش دیگری که تصویربرداری جذبی نام دارد، تعداد اتم‌ها را برای آخرین بار چک می‌کند. این گروه دقت بسیار بالای کارشان را مرهون تعداد زیاد تصاویر فارادی به همراه سامانه بازخوردگیری سریع‌شان به منظور حذف اتم‌های اضافی می‌دانند.

آزمایش با ابری متشکل از 6/7 میلیون اتم به طور میانگین آغاز می‌شود، که این تعداد می‌تواند به انتخاب آزمایش‌کنندگان کم‌تر شود. تحت شرایط بهینه، عدم قطعیت نسبی تعداد اتم‌ها، در انتهای آزمایش 0/025 درصد است، که برای آزمایشی که تعداد اتم‌های آن در انتها 5 میلیون اتم بوده، برابر با مثبت و منفی 1250 است.

این گروه معتقدند روش کار آن‌ها می‌تواند سرانجام به طور چشم‌گیری دقت تداخل‌سنج‌های اتمی را بهبود بخشد. طبق صحبت‌های آندریا برتولدی از مدرسه عالی موسسه اپتیک در بوردو فرانسه، روش جدید «آزمایشی را مطرح می‌کند که از دید فنی چالش‌برانگیز» است. او می‌گوید این روش می‌تواند عملکرد پیش‌رفته‌ترین ساعت‌های اتمی و حس‌گرهای ماندی را ارتقا بخشد و ممکن است روزی برای مشاهده پدیده‌هایی که آشکارسازی آن‌ها دشوار است، مانند امواج گرانشی به کمک بشر آید.

این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.

نویسنده: Leah Crane علمی‌نویس مستقل در شیکاگو است.

منبع: Choose the Number of Atoms in Your Cloud

مرجع: Preparation of Ultracold Atom Clouds at the Shot Noise Level