Forskare föreslår att använda små 'karuseller' gjorda av laserljus för att fängsla och rotera extremt kalla atomer eller molekyler, och potentiellt testa Einsteins relativitetsteori på kvantnivåer. Denna metod syftar till att observera tidsdilationseffekter i ultrakalla partiklar, där kvantproprieteter kan manipuleras precist. Tillvägagångssättet bygger på tidigare arbete och kan avslöja oväntade effekter i en outforskad miljö.
Albert Einsteins teorier om speciell och allmän relativitet, formulerade i början av 1900-talet, visade att tid kan dilateras för rörliga eller accelererande klockor, vilket gör att de går långsammare än stillastående sådana. Medan dessa effekter har observerats i stora objekt har Vassilis Lembessis vid King Saud University i Saudiarabien och hans kollegor utformat ett sätt att testa dem på atomskala med ultrakalla atomer och molekyler.
Förslaget involverar skapandet av 'optiska karuseller' med laserstrålar för att fängsla och rotera partiklar i en cylindrisk form. Detta bygger på en metod från 2007 utvecklad av Lembessis och kollegor för att stämma lasrar och styra atomrörelser. I den ultrakalla världen —bara några miljoner delar av en grad över absolut noll — kan kvantproprieteter och partikelrörelser manipuleras precist med lasrar och elektromagnetiska fält.
Beräkningar indikerar att kvävemolekyler är lämpliga kandidater. Genom att behandla elektronrörelser inuti dem som tikande av en intern klocka kan forskare upptäcka förskjutningar i tikfrekvens så små som en del i 10 kvadriljoner, vilket avslöjar rotationell tidsdilation. Justering av laserfokuset skulle tillåta kontroll av karusellens storlek för att testa olika rotationer.
Patrik Öhberg vid Heriot-Watt University i Storbritannien prisade idén: “Det är viktigt att kontrollera och bekräfta vår förståelse av fysiska fenomen i naturen. Det är när vi får en överraskning, något oväntat, som vi behöver revidera vår förståelse och få en djupare insikt i universum. Detta arbete föreslår ett alternativt sätt att kontrollera relativistiska system med vissa tydliga fördelar jämfört med mekaniska uppsättningar.”
Aidan Arnold vid University of Strathclyde tillade att uppsättningen undviker behovet av orealistiskt höga hastigheter: “Med den otroliga noggrannheten hos atombaserade klockor… borde tidsförändringen 'känd' av karusellatomerna vara märkbar. Dessutom, eftersom de accelererade atomerna inte reser långt bort, skulle det finnas gott om tid att mäta denna förändring.”
Experiment med optiska karuseller är fortfarande sällsynta, vilket öppnar möjligheter att undersöka 'klockhypotesen' i kvantkontexter. Utmaningar inkluderar att förhindra att partiklar värms upp under rotation. Resultaten publiceras i Physical Review A (DOI: 10.1103/5m6c-hfqt).