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比“原子钟”更精确的计时器—“镊子时钟”

时间:2020-01-17发布者:腾讯新闻浏览次数:748次

   世界各地都使用原子钟来精确计时。时钟的每个“滴答”都取决于原子振动及其对周围电磁场的影响。当今使用的基于原子铯的标准原子钟通过“计数”无线电频率来指示时间。这些时钟可以精确到每亿亿分之一秒测量一次时间。测量光的光学频率的新型原子钟更为精确,并且最终可能取代基于无线电的原子钟。


Adam Shaw,Ivaylo Madjarov和Manuel Endres在加州理工学院研究其基于激光的仪器。

   现在,研究人员在加州理工学院喷气推进实验室(JPL),这是由加州理工学院为NASA管理,必须拿出新的设计,持有的承诺是最准确和精确的又一个光学原子钟(精度指时钟正确确定时间的能力,而精度则是指其能够精确显示时间的能力)。它被昵称为“镊子钟”,它采用了所谓的激光镊子来操纵单个原子的技术。

   加州理工学院物理学助理教授曼努埃尔·恩德雷斯(Manuel Endres)说:“物理学家的目标之一就是能够尽可能准确地说出时间。”他在《Physical Review X》杂志上发表了一篇描述结果的论文。Endres解释说,尽管每天不一定需要超精密时钟来计时,但它们可能会导致基础物理学研究以及尚未想象的新技术的进步。

   新的时钟设计基于已经使用的两种类型的光学原子钟。第一种基于单个捕获的带电原子或离子,而第二种则使用捕获在所谓的光学晶格中的数千个中性原子。在捕获离子方法中,只需要精确地隔离和控制一个原子(离子),从而提高了时钟的准确性。另一方面,光学晶格方法受益于具有多个原子-原子越多,由于单个原子的随机量子涨落而产生的不确定性就越少。


   在时钟设置中,束缚在81个光学镊子阵列中的约40个88Sr原子被698 nm时钟激光器询问,荧光成像用于以单原子分辨率和反馈来检测时钟状态下的种群变化。通过用于最小化激光噪声的声光调制器(AOM)进行控制。

   Endres团队的原子钟设计实质上结合了两种设计的优势,从而获得了两者的优势。新设计没有使用光学晶格方法那样使用许多原子的集合,而是使用了40个原子,而这些原子是由激光镊子精确控制的。在这方面,新设计不仅受益于具有多个原子,而且还允许研究人员控制这些原子。

   加州理工学院的研究生,这项新研究的主要作者伊瓦伊洛·马德亚罗夫(Ivaylo Madjarov)说:“这种方法将物理的两个分支联系在一起-单原子控制技术和精确测量。” “我们正在开创原子钟的新平台。”

   Madjarov解释说,通常,原子钟中的原子就像音叉一样,可以帮助稳定电磁频率或激光。“我们的激光振荡就像钟摆一样,可以计算时间的流逝。原子是非常可靠的参考,可确保摆锤以恒定的速率摆动。”

   研究小组说,新系统非常适合未来对量子技术的研究。这些系统中的原子可以纠缠或全局连接,并且这种纠缠状态可以进一步稳定时钟。Endres说:“我们的方法还可以搭建通向量子计算和通信架构的桥梁。” “通过融合物理学中的不同技术,我们进入了一个新的领域。”

   参考:Ivaylo S. Madjarov,Alexandree Cooper,Adam L. Shaw,Jacob P. Covey,Vladimir Schkolnik,Tai Hyun Yoon,Jason R. Williams和Manuel Endres撰写的“具有单原子读数的原子阵列光学时钟”,11 2019年12月,《物理评论X》。

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