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仪表与测量

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光学钟

04 May 2005

Invented 50 years ago this month, atomic clocks have revolutionized how we measure time. But 选择ical clocks, which use light rather than microwaves, promise to be even more accurate 和 could lead to the second being redefined

美好时光

自本月路易斯·埃森(Louis Essen)在美国国家物理实验室展示了首个铯原子钟以来,已经有50年的历史了。当时,第二个是根据地球周期定义的’旋转,但是随着我们测量时间的能力提高,这种波动会发生变化。埃森表明,具有一组离散能级的原子可以提供更加稳定的参考时间间隔。大约12年后的1967年,第二次 承诺é国际仿制与测量 就铯133原子中两个比能级之间的间隙而言。

自埃森以来’在开创性工作中,铯钟的精度每十年稳步提高10倍左右,因此今天’最好的原子钟的精度要优于十分之一15。这些改进带来了许多科学进步以及诸如全球定位系统(GPS)和互联网之类的技术,这些技术严重依赖于时间和频率标准。尽管这种性能令人印象深刻,但是一种称为“optical clock”可能会带来更大的改进。

在标准原子钟中,铯133原子束被频率约为9.2的微波探测到 x 109 赫兹。将微波频率调整为正好9192的值时 631 770 Hz时,光子的能量等于构成铯原子基态的两个非常紧密间隔的能级之间的能量差。原子吸收微波,吸收产生的信号被反馈到微波源,从而阻止微波从该特定频率漂移。原子赋予微波源的稳定性使我们可以将第二个定义为“the duration of 9192 631 辐射的770个周期对应于铯133原子基态的两个超精细能级之间的过渡 ”.

相反,光钟则使用光而不是微波。在所有其他条件相同的情况下,原子钟的稳定性与其工作频率成正比,而与电子跃迁的宽度成反比。由于光的频率约为1015 Hz –比微波炉高约十万倍– clocks based on narrow transitions at 选择ical, rather than microwave, frequencies should be much more stable. Clocks need to be both stable 和 accurate, with greater stability making it much easier 和 quicker to judge how accurate a clock really is. 光学钟have many potential applications –从改进的GPS测量和对深空探测器的更好跟踪到广义相对论的基本测试和物理常数的测量。它们甚至可能导致第二次重新定义。

原子钟:从过去到现在

自埃森(Essen)以来,原子计时的使用稳步发展’的开拓性工作(见下面方框)。他50年前在国家物理实验室(NPL)研制的时钟到今天还比较原始’的标准,精度只有十分之一10。它使用了一束从烤箱中蒸发出来的热铯原子。使用最初由哈佛大学的诺曼·拉姆西(Norman 拉姆西)开发的技术探测原子,他为此分享了1989年诺贝尔物理学奖。它涉及沿波束的一个位置发射一小段微波脉冲,然后–几毫秒后– by another short pulse further along the beam. Interference between the excitation of the atoms by the two probe pulses creates a set of fringes as a function of the microwave frequency. These interference fringes, the widths of which are inversely proportional to the interval between pulses, 子-divide the absorption profile of a single pulse, thereby increasing the spectral resolution.

多家公司开始开发基于埃森的商用铯钟。’的想法,其中最好的想法现在的精确度要比十分之一好12。然而,在1990年代初期,一种新型的铯原子钟被称为“atomic fountain”由Andr开发é克莱昂,克里斯托夫·所罗门,克劳德·科恩·坦努吉和克劳德·科恩·坦努吉以及巴黎天文台和巴黎高等学校的同事é瑞尔。它基于Steven Chu和Bill Phillips的开创性工作,他们在1980年代中期开发了利用激光和磁场捕获被冷却至低于1的温度的原子云的技术。  米在喷泉中,冷铯原子向上发射到约一米的高度,然后在重力作用下回落。原子一次穿过微波腔,一次穿过微波腔,它们移动得如此缓慢,以至于它们与微波的相互作用要比热时更长。

这种安排使Clairon可以使用时间分隔“Ramsey pulses” to probe the atoms’分辨率仅为1的微波吸收 Hz –比100少得多 铯束时钟中热原子的Hz。具有如此狭窄的特征,喷泉钟通常稳定在十分之一左右15,前提是时钟频率的波动在一天中平均。换句话说,他们可以将时间测量为优于100皮秒(10-10 s) per day.

今天’现在,最好的铯喷泉钟的精度达到1015年的1分之一,并成为国际时标的主要频率标准。实际上,原子钟现在是如此的好,以至于可以比任何其他物理量更精确地测量时间和频率。毫不奇怪,应用程序蓬勃发展。例如,在构成全球定位系统核心的所有24颗卫星上都可以找到原子钟。这些时钟–连同地面时钟–使水手,飞行员,驾驶员和步行者能够在几米之内知道他们的位置。

Enter the 选择ical clock

尽管铯喷泉钟现在非常精确,但是可以得到多少更好的声音仍然存在局限性。首先,喷泉中冷的铯原子之间的碰撞会改变原子跃迁的频率。二,十分之一的稳定性15 只能通过平均一天左右的时间来平均信号,这使得很难以这种精确度实时使用喷泉时钟。但是,光学时钟可以满足我们更好的计时要求。频率接近1015 Hz –比9.2高约100,000倍 喷泉的GHz微波频率– 选择ical clocks should be stable to almost one part in 1015 只需平均几秒钟,而不是一天。平均时间更长,稳定性为十分之一17 甚至更好。

光学时钟可能有许多应用。例如,虽然飞机可以通过GPS导航,但仅靠GPS降落飞机尚不可接受,因为卫星上的原子钟仍然不够准确,并且计算位置花费的时间太长。高精度时钟对于深空探头也很有用,因为深空探头需要行进很远的距离。此外,基于地面的改进“master clocks”校准GPS原子钟–以及更好的卫星时钟– will allow transportation systems to locate vehicles with 子-metre precision in real time. When integrated with mobile-phone technology, the commercial possibilities of such developments are immense.

高精度时钟还可以帮助我们测量基本常数并测试物理定律,例如爱因斯坦’狭义相对论和广义相对论。一些理论家认为,精细结构常数α表征电磁相互作用强度的元素,可能在我们整个宇宙的历史上发生了变化(请参见 “自然规律会随着时间变化吗?” 物理世界 2003年4月,第33-38页)。如果得到证实,结果将对宇宙学以及试图统一自然的四个基本力的理论具有重大意义。

搜索a的当前变化形式的最佳方法之一是比较几年中不同类型原子钟的频率。尽管与宇宙学时标相比这是一个短时间段,但是由于可实现的高频率分辨率,这种方法可以提供与天体物理测量结果相抗衡的结果。时钟越好,中的变化就越小α可以检测到的电流极限接近十分之一 15 每年。

Inside an 选择ical clock

There are three main elements to an 选择ical clock. The first is a highly stable reference frequency provided by a narrow 选择ical absorption in an atom or ion. This “clock transition”通常具有几赫兹或更小的自然线宽。时钟的第二个元素是激光,称为“local oscillator”, which should also have a very narrow line width so that it does not broaden the atomic transition. The third component is some way of counting the extremely rapid oscillations of the 本机振荡器; these oscillations are the “ticks” of the clock. A device called a 飞秒梳 is used for this part of the device (see “femtosecond comb”).

Critical to the performance of an 选择ical clock is the first element –时钟转换。为了使时钟稳定,该范围必须尽可能窄。它的频率也应该不受外部干扰(例如电场和磁场)的影响,从而使时钟尽可能精确。理想的频率参考将是一个不动的单个原子,不受与其他原子或环境的任何相互作用的干扰。通过将单个离子捕获在电磁阱的电极之间的微小间隙中,我们可以非常接近这个乌托邦(图1)。这种捕获使离子能够被激光冷却到大约1 mK的温度,并被限制在仅几十纳米的空间区域。因此,时钟转换不会因温度或运动的影响而变宽。

To probe the 时钟转换 one needs a highly monochromatic laser, which can be achieved by stabilizing the laser frequency to a mode of an environmentally isolated low-drift 选择ical reference cavity. Lasers with line widths that are less than 1 位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究院(NIST),科罗拉多大学的JILA实验室和NPL的研究小组已通过这种方法获得了Hz。

不幸的是,要监测吸收的光并不容易,因为狭窄的跃迁本质上非常弱。解决方案在于由诺贝尔奖获得者汉斯·德梅特(Hans Dehmelt)开发的技术,该技术能够以几乎100%的效率检测吸收。被称为“electron shelving”,该技术基于以下事实:当离子吸收探测光时,它会跳到长寿命的激发态,并在其中保留约一秒钟。在此期间,离子无法进行激光冷却– the process where the ion 代表eatedly jumps between its ground state 和 a short-lived excited state, absorbing 和 re-emitting photons at the cooling wavelength.

结果是当离子是“shelved” in the long-lived excited state, no fluorescence photons from the cooling transition are emitted. The absence or presence of this fluorescence tells us whether the probe light has driven the ion to the long-lived state or not (figure 2). By measuring the probability of the ion jumping to the long-lived state as a function of the frequency of the probe laser, we can observe the narrow spectral profile of the 时钟转换. The frequency of the laser light can then be stabilized to the centre of this profile, where the transition probability is at a maximum.

A number of labs around the world are investigating 选择ical clocks using various species of ion. The choice of ion depends on several factors, such as how narrow the 时钟转换 is, the wavelengths of the lasers that are needed to cool 和 probe the trapped ion, 和 the predicted sensitivity to external perturbations, which can shift the transition frequencies.

在2000年,NIST的Jim Bergquist及其同事观察到冷离子时钟转换线的宽度仅为7 Hz at 282 单个汞199离子中的nm–迄今为止,此类时钟转换中最窄的。仅比固有自然线宽1.7大四倍 赫兹。同时,德国不伦瑞克物理技术联合会(PTB)的研究人员正在研究基于435的时钟 171 171离子的nm跃迁,而NPL和加拿大国家研究委员会的研究小组正在研究基于674的时钟 锶88离子的nm跃迁目前,所有这些实验都表明线宽是汞线宽的10倍。

所有这些小组的研究人员已经将时钟激光频率稳定在这些狭窄的时钟转换曲线的中心频率上。这样,频率稳定性优于十分之一的频率15 已经证明了汞199时钟和171时钟的平均值约为100 s 和 1000 分别。确保这些时钟受到外部干扰的影响尽可能小将是一个关键挑战。

Other ions being studied include some where the upper state of the 时钟转换 is extremely long-lived, thereby allowing full benefit to be gained from the narrowest 0.1 可用Hz探头激光线宽。例如,NIST的研究人员正在研究一种基于铝27离子的时钟,其中上部状态持续30秒钟。 s,而NPL的科学家正在试验一种基于171 171离子的时钟,该时钟的高态持续了不可思议的六年! NIST时钟的唯一障碍是必须使用极紫外激光冷却铝离子,这是一个艰巨的挑战。

相反,NIST的Dave Wineland,Bergquist及其同事正在使用一种有趣的实验装置,将27号铝离子与另一种离子一起捕获– beryllium-9 –可以更容易地冷却。激光冷却铍离子“sympathetically”冷却铝离子。但是,由于铝离子没有强烈的冷却荧光,研究人员无法使用电子搁架技术探测弱的铝时钟跃迁。相反,Wineland及其同事呼吁他们开发用于量子信息处理实验的技术,这些技术可使有关时钟轮廓的信息得以“mapped back”读取铍离子。

原子云的时钟

尽管单个捕获的离子可能导致高度精确的原子钟,但它们并不是完美的。特别是原子吸收信号的信噪比–因此时钟的稳定性–因为阱中只有一个离子,所以离子被破坏。一种可能的替代方法是在大约一百万个冷原子的云中使用弱跃迁。使用这种跃迁的时钟应该非常稳定,因为其稳定性与构成信号的原子数的平方根成正比。

该领域的大部分工作是在PTB和NIST进行的。那里的研究人员专注于中性钙原子,该原子在657处的过渡较弱 nm,自然线宽约为400 Hz between the 1S0 基态和 3P1 亚稳态。在这些实验中,将钙原子激光冷却至几毫瓦。“magneto-optical trap”类似于在铯喷泉中发射铯原子之前用于冷却铯原子的方法。问题在于冷却灯强烈干扰原子,这意味着必须在657之前关闭它 可以探测nm时钟转换。结果,原子云在探测脉冲期间在重力作用下膨胀,因此必须重新捕获并重新冷却后才能再次探测。快速膨胀意味着原子只能在很短的时间内被探测到,从而大大拓宽了原子跃迁。尽管如此,各种技巧–包括将原子额外冷却到12 μK并施加两个探测脉冲,间隔约一毫秒–导致十分之一的精度14.

So how can these atomic 选择ical clocks be improved? One 选择ion is to use a narrower 时钟转换, such as the 698 nm 1S03P0 中性锶的过渡,其线宽仅为10-3 Hz. However, to use these narrower 时钟转换s you need a way of lengthening the interrogation time. One solution was presented in 2001 by Hidetoshi Katori from the University of Tokyo, who suggested confining the cooled atoms in what is known as an 选择ical lattice.

An 选择ical lattice is a region of space where standing light waves overlap to create a 3D potential that rises 和falls periodically with position. The lattice has regular sites that are less than a wavelength apart, in which atoms can be trapped – a bit like eggs in an egg box (figure 3). By holding the atoms in the lattice sites, Katori reasoned, they could be probed for as long as one likes. One possible pitfall is that the trapping light beams will perturb the atoms 和 change the frequency of the 时钟转换. However, Katori proposed that the 选择ical trap should be created with light at a “magic”波长约800 纳米,锶时钟跃迁的上下两级的偏移完全相等。因此,过渡频率将对强度不敏感。

许多小组正在研究使用锶和的晶格构想。这些原子提供的高稳定性和低系统频移的组合可能会在未来提供两全其美的效果。

Counting 选择ical frequencies

One of the key challenges in building an 选择ical clock is to count the “ticks” –光源的振荡。但是,光振荡如此之快–大约每飞秒一次(10-15 s) –使用任何传统的电子设备都不可能计算单个振荡。解决方案是使用称为“femtosecond comb”。 Ted H于1999年首次展示änsch 和 his group at the Max Planck Institute for 量子 Optics in Garching, Germany, this device bridges the gap between the microwave 和 选择ical regions of the spectrum in a single step.

梳子由“mode-locked” femtosecond laser, which emits a train of pulses at a typical 代表etition rate, f代表几百兆赫兹在频域中,脉冲序列显示为一系列等间隔的频率–就像梳子的牙齿。梳子中任何行的频率是梳子间距的整数倍(nf 代表)加上偏移频率(f0),这取决于激光腔内群速度和相速度的差异。最重要的价格变动率 f选择,与 f代表 和f0,两者均可通过实验确定。

The comb spacing, or 代表etition rate frep, can be measured from the 击败 signal between adjacent comb modes (figure 4). The simplest way of determining f0 is to have a comb that spans a complete 选择ical octave, i.e. a factor of two in frequency. Some femtosecond lasers can now produce an octave-spanning comb directly. Alternatively, a short piece of microstructured fibre, in which an array of air holes surrounds the fibre core, can be used to broaden the spectrum by means of nonlinear frequency-mixing effects in the fibre.

f代表 和f0 稳定到微波原子钟–从而与铯一次频率标准进行比较– the comb can be used to measure the frequency of an 选择ical standard f选择. This is done by determining the 击败 frequency between the 选择ical frequency 和 the precisely known frequency of the nearest comb mode. However, as first demonstrated in 2001 by Scott Diddams 和 colleagues at NIST, it is also possible to turn this process on its head 和 to stabilize the comb to an 选择ical standard rather than to a microwave standard. The comb then acts as the “clockwork” of the 选择ical clock, dividing the 选择ical frequency to produce a countable microwave output frequency f代表.

未来时代

Several groups have shown that femtosecond 选择ical-frequency combs are a reliable way of comparing 选择ical frequencies at the level of one part in 1019. As a result of comb developments, the accuracy of 选择ical-frequency measurements has risen dramatically over the past few years, 和 is fast approaching the limit set by the current, caesium-based definition of the second (figure 5). The best published measurement of an 选择ical frequency is that of the strontium-ion standard at NPL, which has an uncertainty of 3.4 parts in 1015 (请参阅Margolis 等。 in further reading). However, researchers at NIST have just 代表orted a preliminary measurement of the mercury-ion standard with an uncertainty of 1.5 parts in 1015,非常接近铯标准的不确定性。

If 选择ical-frequency standards become more 代表roducible than caesium-fountain standards, a primary standard for time that is based on an 选择ical clock could be on the cards within a decade or so. But given the many different species of atom or ion that are currently being investigated, much research is still needed to work out which is the best. Whether or not a clear front runner emerges, two things are highly likely. First, the powerful femtosecond-comb techniques will play a key role in comparing the accuracy of different clocks. Second, 代表roducibilities of one part in 1017 or 1018 将会达到。

为了做得更好,我们将不得不更加努力地稳定环境因素,例如磁场和电场。广义相对论的影响也将变得非常重要。毕竟,两个时钟之间仅相隔1 高度为cm的过渡频率在重力作用下会发生十分之一的红移 18 with respect to each other. Experiments comparing 选择ical clocks in remote locations will therefore become a major challenge. Despite these difficulties, 选择ical clocks are here to stay 和 will have applications –从通讯,导航到基础物理学–半个世纪以前,其中的路易斯·埃森(Louis Essen)从未梦想过。

在原子计时中定义时刻

1949  Ramsey’分离振荡场技术
1955  第一铯原子钟
1960  Hydrogen maser
1967  重新定义铯
1975  激光冷却原子和离子的建议
1978  激光冷却捕获的离子
1980s GPS卫星导航介绍
1985  激光冷却原子
1993  第一个铯喷泉钟
1999  First 选择ical-frequency measurement with 飞秒梳s
2001  Concept of an 选择ical clock demonstrated

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