新型原子钟实现“镊子”操控

发布日期:2019年11月5日

美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉大学联合实验室JILA的研究人员展示了一种新型原子钟设计,使用激光“镊子”捕获、控制和隔离原子,还提供了利用量子物理学来提高时钟性能的可能性。该成果发布在2019年9月出版的《科学》杂志中。?

镊子钟在96%的运行时间内能够实现性能自我验证,因为它几乎不需要停机来准备新原子,并且原子之间隔离的很好,因此它们相互干扰的可能性很小。

在新一代原子钟中,原子“滴答”于两个能级之间时的激光颜色或频率更稳定。镊子钟捕获和控制原子以维持滴答的稳定性,并在不丢失原子的情况下检测到这种行为,因此可多次重复使用相同的原子,而无需重新持续加载新原子。

NIST和JILA的研究人员多年来一直致力于建造新一代原子钟。这些钟以光频率工作,光频率远高于基于微波频率的当前时间标准。这项研究有助于为将来秒的国际重新定义做准备。光钟还能应用于基于重力测量地球形状(大地测量),寻找被认为构成宇宙大部分物质的暗物质,以及扩展量子信息科学。

像普通金属镊子一样,激光镊子可以实现精准控制,使研究人员能改变原子之间的间距并调整其量子特性。基于远距离也能关联原子特性的量子现象,用光镊子 “缠结”两个原子。镊子用于激发原子,使其电子与原子核的结合弱化。这种“蓬松”状态使处于相反内部磁性态(向上和向下自旋)的原子更易捕获,然后,利用自旋交换过程使原子纠缠。量子纠缠能提高测量灵敏度,从而提高钟的精度。

研究小组现在计划建造一个更大的钟并正式评估其性能。具体来说,研究人员计划使用更多的镊子和原子(大约150个原子)。同时增加纠缠,以提高钟的灵敏度和性能,也许在单独应用中可以提供一个量子计算和模拟的新平台。

这项研究得到美国陆军研究办公室,空军科学研究所,国防先进研究项目机构,JILA国家科学基金会物理前沿中心和NIST的支撑。

JILA/NIST的研究人员正在对镊子光钟中操控和冷却锶原子的激光配置进行调整
JILA/NIST的研究人员正在对镊子光钟中操控和冷却锶原子的激光配置进行调整

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原文版权归美国国家标准与技术研究院(NIST)和JILA实验室所有,源自:NIST网站