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光学时钟精度打破记录

发布:laserpulse    |    2019-07-25 07:24    阅读:829
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美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员公布了该组的单离子“量子逻辑时钟”的新实例,该时钟已经证明了最低系统频率的不确定性,因而是所有时钟中精度最高的,显示出令人惊叹的9.4×10-19量级。新时钟另一个重要优点,即时钟稳定性方面仍然比最佳光学晶格时钟低一个数量级。该团队认为,新时钟无与伦比的精确度为改进测量和基础物理测试提供了机会 - 研究人员正在努力将其推向更高的高度。

在新的NIST量子逻辑时钟中使用的离子阱(具有十字形切口的金结构)的详细视图。 时钟通过使用激光冷却的镁离子(黄色)来冷却被捕获的铝离子(蓝色),其超精确的“滴答”通过量子逻辑光谱从伙伴镁离子中读出。

27Al +存在的问题

单离子时钟使用射频电场捕获激光冷却离子,然后使用超稳定窄带激光激发离子的电子跃迁。在约三十五年前首次由德国 - 美国物理学家(以及未来的诺贝尔奖获得者)汉斯•德赫梅尔特(Hans Dehmelt)提出,这种被束缚的振荡离子可以形成一个无与伦比的频率标准。Dehmelt还注意到一个离子,27Al +,作为这种离子时钟的一个特别有竞争力的候选者,凭借其定义明确的高频1S0↔3P0光学转换中非常小的线宽以及它作为黑体辐射对噪声源的抵抗力。但27Al +也变得难以冷却和用激光进行激发,因为离子中两种功能的光学转换都在真空紫外线范围。

中间离子

2005年,由未来诺贝尔奖获得者和OSA荣誉会员David Wineland领导的NIST团队找到了克服这些缺点并通过使用另一种离子9Be +作为一种中间离子来获取27Al +捕获离子系统的方法。在被称为量子逻辑光谱学的方案中,伙伴离子 - 被称为逻辑离子 - 是激光冷却的。然后该离子“同情地”通过库仑相互作用冷却RF离子阱中附近的27Al +。可以使用相同的相互作用来获得27Al +离子的内部状态,该状态可以在可接近的激光频率处从逻辑离子读出并且使用量子逻辑协议来解释。到2010年,NIST的量子逻辑时钟 - 使用镁而不是铍离子作为中间离子 - 实现8.6×10-18的系统不确定性 - 足以检测由狭义相对论预测的时间膨胀与高度变化只有33厘米,相当于普通楼梯上的几个台阶。然而,从那时起,另一种时钟 - 所谓的光学晶格时钟,通过激光激发被束缚在光学驻波中的原子集合而起作用 - 略微超过了早期的精确记录。

降低热量和陷阱噪音
 

新工作背后的NIST团队,包括Wineland,由David Leibrandt领导,现在已经将量子逻辑时钟重新放在光学时钟精密竞赛中。研究人员通过新的陷阱设计实现了这一目标,使他们能够最大限度地降低两个被捕获离子的热噪声,并回拨所需的电压和射频场,从而增加可能使27Al +离子信号变得微弱的微动。由此产生的不确定性测量值为9.4×10-19,用NIST的话来说,时钟“在330亿年内既不会增加也不会减少一秒钟”,是已知宇宙年龄的两倍多。时钟也具有稳定性,这与迄今为止报告的最佳陷阱时钟一致 - 尽管它比最佳光学晶格稳定性低十倍,其中一部分也是在NIST开发的。

一个新的数字要实现

然而,NIST正在努力强调,尽管竞争的出现,所有这些类型的超精确时钟都占有一席之地,并且所有这些都在推动精确测量地球表面重力、导航和基础物理测试方面取得了进展,以及开拓了重新定义SI秒的可能途径。也就是说,新的NIST量子逻辑时钟已经明显地将未来时钟的精度基准从10-18改为10-19。通过“陷阱设计的改进,静态差分极化率的不确定性和背景气体压力”,开创性时钟背后的团队看到了进一步推动其精度的潜力。

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