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        光學時鐘精度打破記錄

        發布:laserpulse    |    2019-07-25 07:24    閱讀:863
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        美國國家標準與技術研究院(NIST)的研究人員公布了該組的單離子“量子邏輯時鐘”的新實例,該時鐘已經證明了最低系統頻率的不確定性,因而是所有時鐘中精度最高的,顯示出令人驚嘆的9.4×10-19量級。新時鐘另一個重要優點,即時鐘穩定性方面仍然比最佳光學晶格時鐘低一個數量級。該團隊認為,新時鐘無與倫比的精確度為改進測量和基礎物理測試提供了機會 - 研究人員正在努力將其推向更高的高度。

        在新的NIST量子邏輯時鐘中使用的離子阱(具有十字形切口的金結構)的詳細視圖。 時鐘通過使用激光冷卻的鎂離子(黃色)來冷卻被捕獲的鋁離子(藍色),其超精確的“滴答”通過量子邏輯光譜從伙伴鎂離子中讀出。

        27Al +存在的問題

        單離子時鐘使用射頻電場捕獲激光冷卻離子,然后使用超穩定窄帶激光激發離子的電子躍遷。在約三十五年前首次由德國 - 美國物理學家(以及未來的諾貝爾獎獲得者)漢斯•德赫梅爾特(Hans Dehmelt)提出,這種被束縛的振蕩離子可以形成一個無與倫比的頻率標準。Dehmelt還注意到一個離子,27Al +,作為這種離子時鐘的一個特別有競爭力的候選者,憑借其定義明確的高頻1S0↔3P0光學轉換中非常小的線寬以及它作為黑體輻射對噪聲源的抵抗力。但27Al +也變得難以冷卻和用激光進行激發,因為離子中兩種功能的光學轉換都在真空紫外線范圍。

        中間離子

        2005年,由未來諾貝爾獎獲得者和OSA榮譽會員David Wineland領導的NIST團隊找到了克服這些缺點并通過使用另一種離子9Be +作為一種中間離子來獲取27Al +捕獲離子系統的方法。在被稱為量子邏輯光譜學的方案中,伙伴離子 - 被稱為邏輯離子 - 是激光冷卻的。然后該離子“同情地”通過庫侖相互作用冷卻RF離子阱中附近的27Al +。可以使用相同的相互作用來獲得27Al +離子的內部狀態,該狀態可以在可接近的激光頻率處從邏輯離子讀出并且使用量子邏輯協議來解釋。到2010年,NIST的量子邏輯時鐘 - 使用鎂而不是鈹離子作為中間離子 - 實現8.6×10-18的系統不確定性 - 足以檢測由狹義相對論預測的時間膨脹與高度變化只有33厘米,相當于普通樓梯上的幾個臺階。然而,從那時起,另一種時鐘 - 所謂的光學晶格時鐘,通過激光激發被束縛在光學駐波中的原子集合而起作用 - 略微超過了早期的精確記錄。

        降低熱量和陷阱噪音
         

        新工作背后的NIST團隊,包括Wineland,由David Leibrandt領導,現在已經將量子邏輯時鐘重新放在光學時鐘精密競賽中。研究人員通過新的陷阱設計實現了這一目標,使他們能夠最大限度地降低兩個被捕獲離子的熱噪聲,并回撥所需的電壓和射頻場,從而增加可能使27Al +離子信號變得微弱的微動。由此產生的不確定性測量值為9.4×10-19,用NIST的話來說,時鐘“在330億年內既不會增加也不會減少一秒鐘”,是已知宇宙年齡的兩倍多。時鐘也具有穩定性,這與迄今為止報告的最佳陷阱時鐘一致 - 盡管它比最佳光學晶格穩定性低十倍,其中一部分也是在NIST開發的。

        一個新的數字要實現

        然而,NIST正在努力強調,盡管競爭的出現,所有這些類型的超精確時鐘都占有一席之地,并且所有這些都在推動精確測量地球表面重力、導航和基礎物理測試方面取得了進展,以及開拓了重新定義SI秒的可能途徑。也就是說,新的NIST量子邏輯時鐘已經明顯地將未來時鐘的精度基準從10-18改為10-19。通過“陷阱設計的改進,靜態差分極化率的不確定性和背景氣體壓力”,開創性時鐘背后的團隊看到了進一步推動其精度的潛力。

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