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For 88 years, the number that tells a laser where to sit to catch a strontium atom has rested on a measurement made in 1938, when researchers compared sunlight with the arc light of strontium. The Korea Research Institute of Standards and Science, known as KRISS, has now measured that frequency again, and the new value carries an uncertainty reduced by more than 50 times. The measurement concerns the 461-nanometer optical transition of strontium, and the result is published in the journal Metrologia.
Durante 88 anos, o número que indica ao laser onde se posicionar para captar um átomo de estrôncio assentou numa medição feita em 1938, quando os investigadores compararam a luz solar com a luz de arco do estrôncio. O Instituto Coreano de Investigação de Normas e Ciência, conhecido como KRISS, voltou agora a medir essa frequência, e o novo valor apresenta uma incerteza reduzida em mais de 50 vezes. A medição diz respeito à transição ótica de 461 nanómetros do estrôncio, e o resultado foi publicado na revista Metrologia.
The old figure was never precise enough for today's work. Strontium is used in optical lattice clocks and quantum sensors, where fast-moving atoms must be slowed and trapped by lasers tuned to the exact resonant frequency of one atomic transition. Without a reliable number, experimenters have had to observe the atoms' response directly and adjust the laser by trial, much like turning the dial of an analog radio to find a station. The new value replaces that search with a reference point, and the uncertainty now sits at about 5 megahertz, after what the team describes as a yearlong campaign of precision measurements.
O valor antigo nunca foi suficientemente preciso para o trabalho atual. O estrôncio é utilizado em relógios de rede ótica e em sensores quânticos, onde átomos em movimento rápido têm de ser abrandados e aprisionados por lasers sintonizados com a frequência de ressonância exata de uma transição atómica. Sem um número fiável, os experimentadores têm de observar diretamente a resposta dos átomos e ajustar o laser por tentativa e erro, um pouco como rodar o botão de um rádio analógico para encontrar uma estação. O novo valor substitui essa busca por um ponto de referência, e a incerteza fica agora em cerca de 5 megahertz, após o que a equipa descreve como uma campanha de medições de precisão que durou um ano.
The key tool is a "photonic grating chip", developed by KRISS with the Korea Advanced Institute of Science and Technology and the National NanoFab Center. Its surface carries a fine grating that diffracts and reflects light in set directions when placed inside a vacuum. Conventional setups align several external mirrors, and each one can pick up mechanical vibrations; the chip removes much of that source of error, and a single chip can generate laser beams in several directions, which simplifies the optical setup. Once equipment errors were reduced, the researchers determined the frequency with two methods built on different principles. One reads how the atoms respond to light as the laser frequency changes; the other deduces the frequency from the velocity distribution of an atomic beam slowed by lasers. The two results agreed within their margins of error, and the final value combines them according to international guidelines.
A ferramenta-chave é um «chip de grelha fotónica», desenvolvido pelo KRISS com o Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia e o Centro Nacional de Nanofabricação. A sua superfície tem uma grelha fina que difrata e reflete a luz em direções definidas quando colocado no interior de um vácuo. As montagens convencionais alinham vários espelhos externos, e cada um deles pode captar vibrações mecânicas; o chip elimina grande parte dessa fonte de erro, e um único chip pode gerar feixes de laser em várias direções, o que simplifica a montagem ótica. Depois de reduzidos os erros do equipamento, os investigadores determinaram a frequência com dois métodos baseados em princípios diferentes. Um lê a forma como os átomos respondem à luz à medida que a frequência do laser varia; o outro deduz a frequência a partir da distribuição de velocidades de um feixe atómico abrandado por lasers. Os dois resultados concordaram dentro das respetivas margens de erro, e o valor final combina-os de acordo com as diretrizes internacionais.
The measurement is tied to Korea Standard Time, the national time and frequency standard that KRISS maintains, and that standard is linked to the International System of Units, so the figure can be compared with the same reference anywhere in the world. For the people who build these devices, the gain is practical: a shared, accurate starting point instead of a number that has to be rediscovered at each laboratory. Dr. Jae Hoon Lee, principal research scientist in KRISS's Atomic Quantum Sensing Group, put the stakes this way: "the main significance of this research is not simply that we remeasured a single frequency value, but that we proactively delivered an accurate measurement reference point for next-generation quantum technologies."
A medição está ligada à hora padrão da Coreia, a referência nacional de tempo e frequência que o KRISS mantém, e essa referência está ligada ao Sistema Internacional de Unidades, pelo que o valor pode ser comparado com a mesma referência em qualquer parte do mundo. Para quem constrói estes dispositivos, o ganho é prático: um ponto de partida partilhado e preciso, em vez de um número que tem de ser redescoberto em cada laboratório. O Dr. Jae Hoon Lee, investigador principal do Grupo de Deteção Quântica Atómica do KRISS, resumiu assim o que está em jogo: «a principal importância desta investigação não é simplesmente termos voltado a medir um único valor de frequência, mas termos disponibilizado de forma proativa um ponto de referência de medição exato para as tecnologias quânticas da próxima geração».
The team expects the value to help free next-generation quantum devices from bulky external atomic frequency references, especially when combined with optical frequency synthesis technology now under development, and to speed up the miniaturization and commercialization of cold-atom devices. Those are expectations, not products: the result is a single measurement of one transition, and it still has to be taken up by clock and sensor builders. KRISS gives no timeline for commercial devices and names no industrial partner.
A equipa espera que o valor ajude a libertar os dispositivos quânticos da próxima geração das referências externas de frequência atómica, volumosas, sobretudo quando combinado com a tecnologia de síntese de frequências óticas em desenvolvimento, e que acelere a miniaturização e a comercialização de dispositivos de átomos arrefecidos. Trata-se de expectativas, não de produtos: o resultado é uma única medição de uma transição, e ainda terá de ser adotado pelos construtores de relógios e sensores. O KRISS não indica qualquer calendário para dispositivos comerciais e não nomeia qualquer parceiro industrial.