reloj de microondas

Editar: en realidad, no creo que la imagen de los estados hiperfinos a continuación sea del todo correcta. A continuación lo describo como si los dos estados del reloj tuvieran una proyección de giro diferente ($m_F$) a lo largo de$z$eje, pero en realidad los dos estados de reloj Cs son principalmente diferentes por su espín total,$F$. Intentaré actualizar esto con una imagen más correcta más tarde.

En un reloj de microondas, los estados fundamental y excitado son dos estados hiperfinos diferentes del átomo. Intuitivamente, estos estados se pueden representar de la siguiente manera. Tanto en el suelo como en el excitado, el electrón gira hacia arriba y tiene un momento angular en el$+z$dirección. Imagine el electrón girando alrededor del núcleo en el$x-y$avión. El núcleo también tiene un espín y un momento magnético asociado. En el estado fundamental el núcleo apunta hacia abajo y en el estado excitado el núcleo apunta hacia arriba. Estos dos estados se dividen en energía porque el momento angular del electrón (más la carga del electrón) crea un campo magnético en la ubicación del núcleo. Así, existe una (pequeña) diferencia de energía dependiendo de si el momento magnético nuclear está alineado o antialineado con el campo magnético del electrón.

Su descripción del reloj Cs es mayormente correcta. Agregaré más detalles sobre cómo se realiza la espectroscopia real para medir la "inmersión de absorción". Inicialmente, el Cs se prepara en el estado fundamental. Luego se aplica un pulso de luz para colocar a los Cs en una superposición de estados fundamental y excitado. Recuerde que una superposición de spin up (a lo largo de$+z$) y hacia abajo (a lo largo$-z$) es lo mismo que un giro apuntando en el$x-y$avión. Exactamente en qué dirección apunta el giro en el$x-y$El plano se puede controlar controlando la polarización y la fase del vector de campo magnético de la luz de microondas incidente.

Supongamos que los experimentadores eligen que el espín apunte a lo largo de la$+x$dirección después del primer pulso. Ahora el espín nuclear comienza a preceder alrededor del campo magnético creado por el electrón (que todavía está presente) a una velocidad dada por la diferencia de energía entre los dos niveles. Si uno espera que el giro preceda muchas, muchas veces ($N$veces) y luego aplica un pulso nuevamente cuando el espín nuclear nuevamente apunta exactamente en el$+x$dirección entonces el átomo será llevado exactamente al estado excitado después del final del segundo pulso.

Después del segundo pulso podemos medir si el átomo está en el estado fundamental o excitado. Si los pulsos de microondas tuvieran exactamente la frecuencia correcta de radiación de microondas, entonces el átomo siempre estaría en estado excitado. Pero si los pulsos tenían la frecuencia incorrecta, el átomo estará en una superposición de estados fundamental y excitado después del segundo pulso, por lo que a veces estarán en el estado fundamental y otras veces estarán en el estado excitado. La sensibilidad de esta medida aumenta a medida que aumenta el tiempo permitido para la precesión de espín. Así es como los físicos atómicos pueden medir la precesión de Cs (o división de energía) con mucha precisión. Lo que he descrito es una secuencia de RamseyTiene razón en que una vez que se realiza la medición, la retroalimentación se habilita para bloquear la frecuencia de la señal de microondas (u oscilador local) a la frecuencia adecuada. En analogía con un reloj normal: los átomos son como el oscilador de cuarzo o el péndulo, proporcionan la referencia de frecuencia, la señal de microondas (que está bloqueada en la rotación atómica) es como las manecillas del reloj.

reloj óptico

Su segunda pregunta es cuál es la analogía de un reloj óptico. Muy arriba he descrito la naturaleza microscópica de los dos estados usados ​​para un reloj de microondas. Son dos estados hiperfinos del átomo que son en su mayoría diferentes debido a la dirección en la que apunta el espín nuclear. Para llegar a la analogía de un reloj óptico, necesitamos descifrar la imagen microscópica de los dos estados en un reloj óptico.

En el reloj óptico estamos considerando dos estados atómicos separados por una transición óptica. En el estado fundamental, el electrón se encuentra en una$S$orbital y en estado excitado el electrón es un$P$orbital. Esto significa que en el estado fundamental el electrón está en una pequeña esfera alrededor del núcleo y en el estado excitado el electrón es un lóbulo dual ($P$orbital) alrededor del núcleo con los lóbulos apuntando en el$+z$y$-z$direcciones.

Si el átomo se pone en una superposición de los$S$y$P$estado (ahora usando un pulso de luz óptica en lugar de microondas), entonces uno puede imaginar la distribución de carga de electrones (o función de onda) para chapotear hacia adelante y hacia atrás desde el$+z$lado del núcleo al$-z$lado del núcleo. Vea esta bonita publicación y animación https://physics.stackexchange.com/a/293413/128186 .

Ahora se realiza la misma secuencia de Ramsey. Pero ahora, en lugar de medir la frecuencia de precesión del momento magnético nuclear, ahora medimos la frecuencia del chapoteo de la distribución espacial de los electrones. Una pregunta es ¿qué causa el chapoteo? Bueno, es exactamente el potencial de culombio que siente el electrón como resultado del núcleo cargado. Si el electrón está demasiado por encima del núcleo, siente una fuerza que tira de él hacia abajo y luego, como un oscilador armónico, se sobrepasa y termina en el$-z$lado donde luego se tira hacia arriba.

reloj nuclear

Esta es la primera vez que oigo hablar de un reloj nuclear. Lo busqué brevemente y, en base a lo anterior, daré mi suposición de cómo funcionaría esto. En la propuesta que encontré para un reloj nuclear, la idea es que los dos estados del reloj sean dos isómeros diferentes del núcleo. Esto significa que el núcleo tendrá los mismos protones y neutrones pero estarán en una configuración física diferente. Si hay alguna forma de impulsar una transición entre estos dos estados (¿quizás con un láser?), entonces es posible impulsar el sistema en una superposición de los dos estados. Una vez hecho esto, el núcleo oscilará entre esos dos estados como se indicó anteriormente. Nuevamente podemos realizar espectroscopía de Ramsey para medir esta frecuencia de oscilación. Supongo que en este caso es similar al caso óptico en el sentido de que lo que oscilará serán las posiciones relativas de los protones y los neutrones. Lo interesante aquí es que en lugar de que la fuerza restauradora esté mediada por el campo electromagnético (fuerza de Coulomb entre el electrón y el núcleo), ahora estará mediada por la fuerza fuerte que une al núcleo. Así que aquí se debe pensar en el núcleo como una gota de materia que tiembla a una frecuencia alta debido a la fuerza fuerte. ¡Esto parece una muy buena prueba de la física fundamental de la fuerza fuerte si pudieras realizar un experimento de este tipo! Lo interesante aquí es que en lugar de que la fuerza restauradora esté mediada por el campo electromagnético (fuerza de Coulomb entre el electrón y el núcleo), ahora estará mediada por la fuerza fuerte que une al núcleo. Así que aquí se debe pensar en el núcleo como una gota de materia que tiembla a una frecuencia alta debido a la fuerza fuerte. ¡Esto parece una muy buena prueba de la física fundamental de la fuerza fuerte si pudieras realizar un experimento de este tipo! Lo interesante aquí es que en lugar de que la fuerza restauradora esté mediada por el campo electromagnético (fuerza de Coulomb entre el electrón y el núcleo), ahora estará mediada por la fuerza fuerte que une al núcleo. Así que aquí se debe pensar en el núcleo como una gota de materia que tiembla a una frecuencia alta debido a la fuerza fuerte. ¡Esto parece una muy buena prueba de la física fundamental de la fuerza fuerte si pudieras realizar un experimento de este tipo!