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比“原子鐘”更精確的計時器—“鑷子時鐘”

時間:2020-01-17發布者:騰訊新聞瀏覽次數:741次

   世界各地都使用原子鐘來精確計時。時鐘的每個“滴答”都取決于原子振動及其對周圍電磁場的影響。當今使用的基于原子銫的標準原子鐘通過“計數”無線電頻率來指示時間。這些時鐘可以精確到每億億分之一秒測量一次時間。測量光的光學頻率的新型原子鐘更為精確,并且最終可能取代基于無線電的原子鐘。


Adam Shaw,Ivaylo Madjarov和Manuel Endres在加州理工學院研究其基于激光的儀器。

   現在,研究人員在加州理工學院噴氣推進實驗室(JPL),這是由加州理工學院為NASA管理,必須拿出新的設計,持有的承諾是最準確和精確的又一個光學原子鐘(精度指時鐘正確確定時間的能力,而精度則是指其能夠精確顯示時間的能力)。它被昵稱為“鑷子鐘”,它采用了所謂的激光鑷子來操縱單個原子的技術。

   加州理工學院物理學助理教授曼努埃爾·恩德雷斯(Manuel Endres)說:“物理學家的目標之一就是能夠盡可能準確地說出時間。”他在《Physical Review X》雜志上發表了一篇描述結果的論文。Endres解釋說,盡管每天不一定需要超精密時鐘來計時,但它們可能會導致基礎物理學研究以及尚未想象的新技術的進步。

   新的時鐘設計基于已經使用的兩種類型的光學原子鐘。第一種基于單個捕獲的帶電原子或離子,而第二種則使用捕獲在所謂的光學晶格中的數千個中性原子。在捕獲離子方法中,只需要精確地隔離和控制一個原子(離子),從而提高了時鐘的準確性。另一方面,光學晶格方法受益于具有多個原子-原子越多,由于單個原子的隨機量子漲落而產生的不確定性就越少。


   在時鐘設置中,束縛在81個光學鑷子陣列中的約40個88Sr原子被698 nm時鐘激光器詢問,熒光成像用于以單原子分辨率和反饋來檢測時鐘狀態下的種群變化。通過用于最小化激光噪聲的聲光調制器(AOM)進行控制。

   Endres團隊的原子鐘設計實質上結合了兩種設計的優勢,從而獲得了兩者的優勢。新設計沒有使用光學晶格方法那樣使用許多原子的集合,而是使用了40個原子,而這些原子是由激光鑷子精確控制的。在這方面,新設計不僅受益于具有多個原子,而且還允許研究人員控制這些原子。

   加州理工學院的研究生,這項新研究的主要作者伊瓦伊洛·馬德亞羅夫(Ivaylo Madjarov)說:“這種方法將物理的兩個分支聯系在一起-單原子控制技術和精確測量。” “我們正在開創原子鐘的新平臺。”

   Madjarov解釋說,通常,原子鐘中的原子就像音叉一樣,可以幫助穩定電磁頻率或激光。“我們的激光振蕩就像鐘擺一樣,可以計算時間的流逝。原子是非常可靠的參考,可確保擺錘以恒定的速率擺動。”

   研究小組說,新系統非常適合未來對量子技術的研究。這些系統中的原子可以糾纏或全局連接,并且這種糾纏狀態可以進一步穩定時鐘。Endres說:“我們的方法還可以搭建通向量子計算和通信架構的橋梁。” “通過融合物理學中的不同技術,我們進入了一個新的領域。”

   參考:Ivaylo S. Madjarov,Alexandree Cooper,Adam L. Shaw,Jacob P. Covey,Vladimir Schkolnik,Tai Hyun Yoon,Jason R. Williams和Manuel Endres撰寫的“具有單原子讀數的原子陣列光學時鐘”,11 2019年12月,《物理評論X》。

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