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计量学

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双光时钟向着峰值精度迈进

15 Dec 2016
原子钟的照片
二合一:NIST的光学时钟之一。 (由N Phillips / NIST提供)

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家已经开发出一种对重要噪声源不敏感的新型光学时钟。研究人员认为,这种新的设计可以使时钟比以前更快地达到其峰值精度,它可以朝着使光学时钟在当今范围更广泛的应用中迈出一步。

光学晶格时钟将原子捕获在由两个反向传播的激光束产生的驻波电势中。第三次激光用于重复激发和消除特定的原子跃迁,“ticks”时钟。这样的时钟’与基于捕获离子的类似计时表相比,其主要优势在于,当前的技术难题导致无法一次使用多个离子。这使得离子钟易于受到激光激发时离子行为的固有量子随机性(称为量子投影噪声)。相反,成千上万个中性原子可同时用于同一阱中,这大大降低了量子投影噪声。

在2013年, 安德鲁·拉德洛 美国科罗拉多州博尔德市NIST的同事和他们展示了两个光学晶格时钟,它们稳定在宇宙时代破纪录的半秒内。物理学家提出,如果可以将这种时钟做成足够坚固以至于可以从实验室取出的话,那么对地球上各个点所进行的时间膨胀的精确测量可以对我们星球的内部组成提供重要的见解。将这样的时钟带到太空可以让物理学家寻找与爱因斯坦的偏差’广义相对论和引力中的量子效应。

撞球

“Dick noise”这是光钟中的重要作用,它的出现是由于无法连续监控原子。“They’通常,它会在[陷阱中]停留几秒钟,然后背景气体分子撞击到其中并像撞球一样将它们击落,” explains Ludlow, “因此,我们还需要更多。” During the “dead time”当他们这样做时,激光频率可能会略有变化。这些随机变化的影响可以通过测量多个小时来平均,但这在实验上很麻烦。

研究人员已尝试使用超稳定时钟激光器将问题最小化。“时钟激光正成为实验中最困难的部分,”团队成员Marco Schioppo解释说,他现在在德国杜塞尔多夫的海因里希·海涅大学任教。“激光腔必须在热和振动方面与环境尽可能隔离。时钟激光绝对是一件很难在任何地方移动的设备。”

Schioppo,Ludlow及其同事现在生产了一个包含两个被困原子团的时钟–本质上是一个包含两个光学时钟的计时器。在重新填充一个阱并准备和测量其原子状态的同时,激光被锁定在另一个阱上。 Ludlow说,这是以前提出的,但是研究人员是第一个在光晶格时钟中成功实现它的人:“为了仅用两个时钟就可以做到这一点,您需要确保可以与原子相干相互作用的时间至少与空载时间相同,” he explains. “长期以来,空载时间将比光谱学时间大得多。”

简单,坚固的激光

新时钟达到极高的稳定性,是团队的十倍’s 2013 clock. “一旦提高了不稳定性,就可以减少测量的时间尺度,然后’确实能够更有效地确定系统影响,”Schioppo解释。研究人员建议,由于将激光器永久性地锁定在一个或另一个腔体上,因此也可以使用更简单,更耐用的激光器系统。

“I think it’是向前迈出的一大步,”光学钟专家说 海伦·玛格丽丝(Helen Margolis) 英国特丁顿国家物理实验室的实验室。量子计量学家 皮特·施密特(Piet Schmidt) 德国的’汉诺威的莱布尼兹大学对此表示赞同,尽管他补充说,研究人员必须克服的众多困难使他想知道这项工作是否为通向更简单或更便携的时钟提供了一条可行的途径:“您需要使两个时钟同步得非常好,以免丢失时钟激光器的周期。如果您想出一种产生更稳定的激光源的方法,则可能会花费更少的精力获得相同的增益,但这仍有待观察。”

该研究描述于 自然光子学.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者