比“原子鐘”更精確的計時器—“鑷子時鐘”

  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(dāng)今使用的基于原子銫的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘通過“計數(shù)”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(xué)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(xué)院研究其基于激光的儀器

  現(xiàn)在，研究人員在加州理工學(xué)院噴氣推進實驗室（JPL），這是由加州理工學(xué)院為NASA管理，必須拿出新的設(shè)計，持有的承諾是最準(zhǔn)確和精確的又一個光學(xué)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(shù)。

  加州理工學(xué)院物理學(xué)助理教授曼努埃爾·恩德雷斯（Manuel Endres）說：“物理學(xué)家的目標(biāo)之一就是能夠盡可能準(zhǔn)確地說出時間。”他在《Physical Review X》雜志上發(fā)表了一篇描述結(jié)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(dǎo)致基礎(chǔ)物理學(xué)研究以及尚未想象的新技術(shù)的進步。

  新的時鐘設(shè)計基于已經(jīng)使用的兩種類型的光學(xué)原子鐘。***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(xué)晶格中的數(shù)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(zhǔn)確性。另一方面，光學(xué)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(chǎn)生的不確定性就越少。

激光噪聲的聲光調(diào)制器

  在時鐘設(shè)置中，束縛在81個光學(xué)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(tài)下的種群變化。通過用于最小化激光噪聲的聲光調(diào)制器（AOM）進行控制。

  Endres團隊的原子鐘設(shè)計實質(zhì)上結(jié)合了兩種設(shè)計的優(yōu)勢，從而獲得了兩者的優(yōu)勢。新設(shè)計沒有使用光學(xué)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(shè)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(xué)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(lián)系在一起-單原子控制技術(shù)和精確測量。” “我們正在開創(chuàng)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(wěn)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(tǒng)非常適合未來對量子技術(shù)的研究。這些系統(tǒng)中的原子可以糾纏或全局連接，并且這種糾纏狀態(tài)可以進一步穩(wěn)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(gòu)的橋梁。” “通過融合物理學(xué)中的不同技術(shù)，我們進入了一個新的領(lǐng)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(shù)的原子陣列光學(xué)時鐘”，11 2019年12月，《物理評論X》。