较大系统的图像，显示了创建最精确时钟所需的光学元件、真空组件和控制系统。图片来源：Kyungtae Kim at JILA
JILA（美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校）和特拉华大学的Ye实验室的研究人员最近创建了一种基于捕获锶原子的高精度光学晶格钟。他们的时钟在 【物理评论快报】（Physical Review Letters ）的一篇论文中发表，表现出8.1 x 10的总系统不确定性-19，这是迄今为止报告的最低不确定性。
「这篇论文源于Ye实验室数十年来对制造最佳时钟的追求，」该论文的合著者Alexander Aeppli告诉 Phys.org。「测量时间是物理学中的一项基本任务，测量精度和准确度的每一次进步都为研究新现象和创造新技术打开了大门。」
大多数现有的计时技术专门测量电子在铯原子中振荡的周期。这些仪器被称为「微波原子钟」，因为它们测量的振荡频率位于微波波段，类似于微波炉内的电磁振荡频率。
「许多最近的原子钟，包括我们的原子钟，都使用'光学'跃迁，其中振荡的频率与可见光的频率相似，」Aeppli解释说。「使用更高的频率类似于使用带有更精细刻度的尺子，进一步细分一秒，并立即实现更精确的计时。」
JILA的Ye实验室最近进行的大部分研究都是为了开发能够高精度测量时间的原子钟。Aeppli和他的同事们的最新研究建立在Ye实验室和全球其他研究所取得的进展之上，这些研究强调了使用锶原子构建精确光学晶格钟的潜力。
「一个典型的时钟有三个组件：一个振荡器、一个计数器和一个参考，」Aeppli 说。在经典的摆钟中，振荡器是一个来回摆动的钟摆，每秒一次。一组齿轮计算此摆动，并推进秒针、分针和时针。最后，参考是太阳在天空中的位置，其中中午是太阳直接在头顶上的时候。
光学晶格钟使用与传统时钟相同的三个原理。然而，在这种类型的时钟中，振荡器、计数器和频率参考采用非常不同的形式。
在光学晶格钟中，振荡器由一个超稳定的激光器组成，而计数器是一个所谓的频率梳（即，一种通过记录连续光脉冲序列的重复率来测量光学频率的仪器）。另一方面，频率参考由被困原子组成，在团队的时钟中，这些原子特别是锶原子。
「频率梳稳定在激光器上，激光器稳定到锶原子中的特定电子跃迁，」Aeppli说。
「每隔几秒钟，我们就会将激光照射到原子上2.4秒。如果激光从原子共振中漂移，我们就会纠正这种漂移。频率梳将光频率转换为微波频率，这种设备的优点在于微波频率的频率稳定性与光频率相同。
被捕获的锶原子在蓝光下发出荧光的图像。原子被困在超高真空中，然后被时钟激光器探测以确定跃迁频率。图片来源：JILA的Kyungtae Kim。
频率梳将光频率转换为微波频率后，通过简单的电子设备分析这些频率的周期以输出1秒，这与锶跃迁的频率有着根本的联系。在Aeppli和他的同事开发的时钟中，锶原子被困在由两面镜子产生的驻波光波中。
「就像晶格一样，原子以周期性的方式被限制在这种光中，每0.5微米就有一个由几个原子组成的簇，」Aeppli解释说。
「这项技术使我们能够一次捕获十万个锶原子，这意味着每次我们测量锶跃迁频率时，我们都可以同时测量许多原子，从而给出非常精确的测量结果。这与离子光学钟形成鲜明对比，离子光钟在单个捕获离子内使用电子跃迁，这意味着每次测量都比噪声大得多。
虽然以前已经发现光学格子钟可以以出色的精度保持时间，但它们也可能有局限性。具体来说，它们基于光捕获的底层设计会影响它们的精度，因为它可以改变过渡频率。
与之前提出的光学晶格钟相比，Aeppli和他的同事们推出的时钟利用了较低强度的光捕获，这大大提高了其精度。
「我们在这项工作中的许多成就都是相对技术性的，」Aeppli说。「锶光学晶格钟的最大变化之一来自与周围环境的热发射的相互作用。现在，我们能够更好地表征这种效应，并理解它如何改变锶原子的自然跃迁频率。
这个研究团队的工作凸显了基于锶原子的光学晶格钟的巨大潜力，这表明它们甚至可以为SI秒的重新定义做出贡献。Aeppli和他的同事们希望他们的研究结果能为该领域的未来研究提供信息，为越来越精确的时钟的发展铺平道路。
「在更广泛的范围内，我们希望我们的工作表明，有一条持续的路径可以制造出更准确的时钟，我们还没有看到对时钟精度有任何根本的限制，」Aeppli说。
「虽然我们已经建造了一个非常准确的时钟，但我们还没有用它来报时。然而，比较时钟以了解它们的局限性是很重要的。与过去一样，我们目前正在与美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事合作，与他们的平台进行比较。
Ye实验室的研究人员目前正在进行各种其他时钟实验，每个实验都旨在设计制造更先进原子钟的方法。
他们正在探索的两种有前途的方法需要使用量子纠缠来减少与测量跃迁频率相关的噪声，以及使用核跃迁，这可能会产生更好的精度。
更多信息： Alexander Aeppli 等人，【8×10 的时钟−19系统不确定性，【 物理评论快报 】（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.023401.在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2403.10664
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
