較大系統的影像，顯示了建立最精確時鐘所需的光學元件、真空元件和控制系統。圖片來源：Kyungtae Kim at JILA
JILA（美國國家標準與技術研究院和科羅拉多大學保特分校）和特拉華大學的Ye實驗室的研究人員最近建立了一種基於捕獲鍶原子的高精度光學晶格鐘。他們的時鐘在 【物理評論快報】（Physical Review Letters ）的一篇論文中發表，表現出8.1 x 10的總系統不確定性-19，這是迄今為止報告的最低不確定性。
「這篇論文源於Ye實驗室數十年來對制造最佳時鐘的追求，」該論文的合著者Alexander Aeppli告訴 Phys.org。「測量時間是物理學中的一項基本任務，測量精度和準確度的每一次進步都為研究新現象和創造新技術開啟了大門。」
大多數現有的計時技術專門測量電子在銫原子中振蕩的周期。這些儀器被稱為「微波原子鐘」，因為它們測量的振蕩頻率位於微波波段，類似於微波爐內的電磁振蕩頻率。
「許多最近的原子鐘，包括我們的原子鐘，都使用'光學'躍遷，其中振蕩的頻率與可見光的頻率相似，」Aeppli解釋說。「使用更高的頻率類似於使用帶有更精細刻度的尺子，進一步細分一秒，並立即實作更精確的計時。」
JILA的Ye實驗室最近進行的大部份研究都是為了開發能夠高精度測量時間的原子鐘。Aeppli和他的同事們的最新研究建立在Ye實驗室和全球其他研究所取得的進展之上，這些研究強調了使用鍶原子構建精確光學晶格鐘的潛力。
「一個典型的時鐘有三個元件：一個振蕩器、一個計數器和一個參考，」Aeppli 說。在經典的擺鐘中，振蕩器是一個來回擺動的鐘擺，每秒一次。一組齒輪計算此擺動，並推進秒針、分針和時針。最後，參考是太陽在天空中的位置，其中中午是太陽直接在頭頂上的時候。
光學晶格鐘使用與傳統時鐘相同的三個原理。然而，在這種類別的時鐘中，振蕩器、計數器和頻率參考采用非常不同的形式。
在光學晶格鐘中，振蕩器由一個超穩定的激光器組成，而計數器是一個所謂的頻率梳（即，一種透過記錄連續光脈沖序列的重復率來測量光學頻率的儀器）。另一方面，頻率參考由被困原子組成，在團隊的時鐘中，這些原子特別是鍶原子。
「頻率梳穩定在激光器上，激光器穩定到鍶原子中的特定電子躍遷，」Aeppli說。
「每隔幾秒鐘，我們就會將激光照射到原子上2.4秒。如果激光從原子共振中漂移，我們就會糾正這種漂移。頻率梳將光頻率轉換為微波頻率，這種器材的優點在於微波頻率的頻率穩定性與光頻率相同。
被捕獲的鍶原子在藍光下發出熒光的影像。原子被困在超高真空中，然後被時鐘激光器探測以確定躍遷頻率。圖片來源：JILA的Kyungtae Kim。
頻率梳將光頻率轉換為微波頻率後，透過簡單的電子器材分析這些頻率的周期以輸出1秒，這與鍶躍遷的頻率有著根本的聯系。在Aeppli和他的同事開發的時鐘中，鍶原子被困在由兩面鏡子產生的駐波光波中。
「就像晶格一樣，原子以周期性的方式被限制在這種光中，每0.5微米就有一個由幾個原子組成的簇，」Aeppli解釋說。
「這項技術使我們能夠一次捕獲十萬個鍶原子，這意味著每次我們測量鍶躍遷頻率時，我們都可以同時測量許多原子，從而給出非常精確的測量結果。這與離子光學鐘形成鮮明對比，離子光鐘在單個捕獲離子內使用電子躍遷，這意味著每次測量都比雜訊大得多。
雖然以前已經發現光學格子鐘可以以出色的精度保持時間，但它們也可能有局限性。具體來說，它們基於光捕獲的底層設計會影響它們的精度，因為它可以改變過渡頻率。
與之前提出的光學晶格鐘相比，Aeppli和他的同事們推出的時鐘利用了較低強度的光捕獲，這大大提高了其精度。
「我們在這項工作中的許多成就都是相對技術性的，」Aeppli說。「鍶光學晶格鐘的最大變化之一來自與周圍環境的熱發射的相互作用。現在，我們能夠更好地表征這種效應，並理解它如何改變鍶原子的自然躍遷頻率。
這個研究團隊的工作凸顯了基於鍶原子的光學晶格鐘的巨大潛力，這表明它們甚至可以為SI秒的重新定義做出貢獻。Aeppli和他的同事們希望他們的研究結果能為該領域的未來研究提供資訊，為越來越精確的時鐘的發展鋪平道路。
「在更廣泛的範圍內，我們希望我們的工作表明，有一條持續的路徑可以制造出更準確的時鐘，我們還沒有看到對時鐘精度有任何根本的限制，」Aeppli說。
「雖然我們已經建造了一個非常準確的時鐘，但我們還沒有用它來報時。然而，比較時鐘以了解它們的局限性是很重要的。與過去一樣，我們目前正在與美國國家標準與技術研究院（NIST）的同事合作，與他們的平台進行比較。
Ye實驗室的研究人員目前正在進行各種其他時鐘實驗，每個實驗都旨在設計制造更先進原子鐘的方法。
他們正在探索的兩種有前途的方法需要使用量子纏結來減少與測量躍遷頻率相關的雜訊，以及使用核躍遷，這可能會產生更好的精度。
更多資訊： Alexander Aeppli 等人，【8×10 的時鐘−19系統不確定性，【 物理評論快報 】（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.023401.在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2403.10664
期刊資訊： Physical Review Letters ， arXiv
