看原子钟的原子受的干扰.docx

看原子钟的原子受的干扰

减少光学晶格时钟的不确定性

Han-Ning戴和?Yu-Ao陈

中国科学技术大学物理科学学院，合肥

2024年7月29日??物理17日,118年

通过减少系统误差的影响，研究人员创造了一种原子钟，创下了精确度的新纪录。

APS/阿兰Stonebraker

图1:两者之间的过渡?1?年代?0和?3?P?0锶原子的状态作为光学晶格时钟的参考。当光信号与跃迁共振时，可以非常精确地定义其频率。

20世纪50年代原子钟的出现标志着我们以超高精度测量时间的能力发生了范式转变。今天最精密的仪器是如此精确，如果你在大爆炸时启动一个滴答声，到现在它只会差不到一秒。这些精确的时钟在基础物理学[1]、计量学[2]和航海[3]等领域都有不同的应用。进一步的改进可能会导致基础物理学的大量新应用和新测试。然而，实现这样的改进充满了挑战，主要来自环境噪声，如磁波动和温度变化，以及控制控制时钟运行的复杂原子相互作用的困难。为了应对这些挑战，来自科罗拉多州JILA和科罗拉多大学博尔德分校的一组研究人员打破了原子钟精度的记录[4]。使用基于中性锶原子的光学晶格时钟(OLC)，该团队测量了原子跃迁的频率，系统不确定度为8.1×10?19，比之前的记录保持者(另一个锶OLC)提高了2倍以上[5]。这一成就标志着计时精度的飞跃，为下一代原子钟奠定了基准。

最早的原子钟是用微波信号的频率作为“钟摆”来计时的。如今，最好的计时技术是基于某些被称为时钟跃迁的原子跃迁所发出的光。这些转换的高频率(通常是几百太赫兹)和窄线宽(通常是1-100兆赫)意味着光学原子钟可以比微波原子钟更精确地测量时间，微波原子钟的频率较低。由于研究人员过去几十年的努力[4,6]，光学时钟现在比那些早期的设备性能高出2个数量级以上。进一步提高它们的性能意味着减少系统误差的大小。

为了实现这一目标，来自JILA和科罗拉多大学博尔德分校的团队重新评估了某些原子参数的系数，这些参数对光学原子钟的运行至关重要。特别是，研究人员对锶原子中磁敏感性最低的时钟跃迁(3P0和1so0态之间的跃迁)的二阶塞曼系数进行了精确校准(见图1)。塞曼系数描述了磁场对电子能级的影响，从而描述了在相关跃迁期间发射的光的频率。通常，选择磁不敏感的时钟跃迁，使占主导地位的一阶塞曼频移最小化。这种最小化降低了时钟对环境磁波动的敏感性。但较弱的二阶效应依然存在。该团队对该系数的校准减少了由于二阶塞曼位移到1×10?19而产生的不确定性，与之前的此类校准相比，这是两倍的改进。

研究人员还解决了导致时钟不确定性的第二个因素:所谓的动态黑体辐射校正。黑体辐射可以通过辐射的电场改变原子的能级，这是在室温环境下操作时钟不可避免的结果。这种效应的动态成分是指原子能级之间的微分位移。在前几代的锶olc中，精度尤其受到3P0能级位移的不确定性的限制，3P0是定义时钟跃迁的两个状态的上限。这种位移的大小与能量在黑体辐射能谱内的跃迁有关——在3P0和更高能量态3D1之间的跃迁，可以通过测量3D1态的寿命来确定。通过这样的测量，研究小组将黑体辐射位移的不确定性降低到7.3×10?19(低于他们之前达到的1.5×10?18)。结合黑体辐射位移的减少和温度稳定等其他环境控制措施，研究人员确定，对时钟转换能级的所有系统影响的总和小于1/×1018。

为了控制和测量OLC中的原子，研究人员使用了具有“神奇波长”的光学晶格。在光学晶格阱中，原子的能级可以被激光束的电场所移动。然而，在以神奇波长运行的陷阱中，不管它们的电子状态如何，所有原子的陷阱势都是相同的。这意味着激光束在时钟跃迁状态之间引起的相对能量位移被最小化，这有助于使跃迁的线宽尽可能窄。研究人员还实施了一个冷却过程，使他们能够使用一个浅晶格来限制原子。当原子受到更严格的限制时，激光束引起的能量转移的大小更大，因此浅电位使这种转移最小化。

这些方法使他们的设备超过了以前所有的olc的精度，在396亿年的时间里计时误差不到一秒。这一改进的意义是深远的。例如，结合科罗拉多团队的进展的新一代仪器可以帮助为秒的定义设定一个新的基准[7]。未来的努力可能集中在改进这些技术，进一步减少不确定性，例如低温操作[8]。这种新发现的精度可以用于深入研究物理学前沿的基本问题，有可能通过引力波观测[9]以及暗物质的本质来揭示引力的量子本质[4,10]。

看了文章：

原子的能级可以被激光束的电场所移动，是激光的电磁力与原子的相互作用力，说明原子是电磁物质的聚集体。

主要来自环境噪声，如磁波动和温度变化，以及控制控制时钟运行的复杂原子相互作用的困难。这个噪音就是物体的电流变化时电磁力变化，电磁力变化使物体内外有机械振动，导致机械参数的变化形成的噪