首页 > 资讯 > 消息正文

超精密三维光学晶格时钟

发布:opticsphotonics    |    2017-10-11 12:42    阅读:396
分享:
      

在JILA的三维量子气体原子钟中,三对激光束产生一个三维光学晶格,封装在锶原子的密集阵列中。蓝色激光束激发出立方体形状的原子阵列;时钟信号从激发的原子荧光中读出。由 G.E. Marti/JILA供图

由美国国家标准技术研究所(NIST)的美国光学学会成员Jun Ye领导的研究团队设计了一种光学晶格时钟,据报道它创记录的实现了测量精度3.5×10-19,相比于此前 (Science, doi: 10.1126/science.aam5538)的演示设计,Jun Ye的时钟精度得到了“显着改善”。该团队通过制造一个三维的光学晶格来实现这一技术,该晶格封装在密集的锶原子阵列中,冷却成简并费米气体。

根据研究人员的研究结果,结构抑制了原子——原子之间的相互作用,阻碍了时钟精度和稳定性的进一步提升。这反过来又提高了新一代原子钟的应用前景——其中研究人员借助非常大的原子组合来提升时钟的稳定性和时钟精度。

原子-原子相互作用

光学晶格时钟通过在光学晶格内捕获大量慢速激光冷却的原子,例如锶87,本质上是由聚焦的激光束产生的驻波。然后,原子可以被激光激发成一个受约束的电子跃迁,通过激光荧光探测,形成时钟的“滴答”。大多数光学晶格时钟使用原子的一维阵列,并且该结构已经足以实现10-18级的测量精度和低至10-16 /τ1/2范围的不稳定性(其中τ是时间,单位秒,时钟的平均性能)。

但即使一维时钟已经达到了这些令人难以置信的精确度和稳定性,他们在进一步提高精度时遇到了一个根本问题。提高时钟稳定性以及其精度的最佳方式是加强晶格中的原子数。但是,随着构成时钟的原子数量的增加,原子本身之间的相互作用可能导致信号的频移,从而降低了时钟的整体精度。

三维视图

在由NIST和科罗拉多大学博尔德分校共同经营的JILA设施工作的Jun Ye,通过将晶格的几何形状从一维更改为三维,找到了解决这个难题的方法。通过三维晶格,他的团队能够利用简并费米气体的性质——这是近二十年前由JIST同事后来的Deborah Jin首先创建的物质阶段。

对于三维原子钟,简并费米气体——即由诸如锶87原子的费米子粒子构成的所谓量子气体,提供了许多优势。一方面,它是许多粒子的强相关系统,但是它们的状态可以像一个粒子一样被控制;另一个方面是,在三维晶格内,简并费米气体中的强排斥原子占据所谓的莫特绝缘状态,这是阻止多个原子占据光学晶格中任何一个节点的状态。

这种单占据特性逐渐降低了晶格中单个原子相互作用。而且,根据该团队的相关研究,随着原子相互作用的逐渐变弱,可以增加时钟中的原子密度,从而使其可实现的稳定性提高几个数量级。

稳定性进一步提升

Jun Ye的团队将这些想法付诸实践,实验中研究人员将锶87原子的集合体激光冷却到费米温度以产生双自旋费米气体,并将原子封装入由三对激光束产生的三维光学晶格中。根据作者的实验,莫特绝缘行为允许该团队建立一个密度为1013原子每立方厘米的晶格,比以前实验的光学晶格大三个数量级。

Jun Ye的团队发现,把新的时钟通过它的步调,在2.2小时的平均时间内,时钟的不稳定度只有3.1×10-17 /τ?,这与测量精度3.5×10-19是一致的,比一维时钟高了几个数量级。研究人员认为,具有较大波束腰部(因此可容纳更多数量的原子)的晶格结构可能将不稳定性进一步降至10-18 /τ1/2的范围。

这样的超稳定时钟会有什么好处?除了提高GPS测量精度、测量标准的新定义和其他常用的精密计量应用,Jun Ye和他的同事们在去年发表在《Physical Review D 》期刊 (doi:10.1103 / PhysRevD.94.124043)(的文章中提出了另外一个建议:极其稳定的光学时钟能够应用在基于空间的、光学时钟驱动的、全新的引力波检测方法,可以作为欧盟的激光干涉仪空间天线(LISA)项目的补充方案。

来源: https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2017/october/going_3-d_yields_super-precise_optical_clock/1

本文受译者委托,享有该文的专有出版权,其他出版单位或网站如需转载,请与本站联系,联系email:mail@opticsjournal.net。否则,本站将保留进一步采取法律手段的权利。

免责声明

网站内容来源于互联网、原创,由网络编辑负责审查,目的在于传递信息,提供专业服务,不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的,请在20个工作日内与我们取得联系,联系方式:021-69918579。网站及新媒体平台将加强监控与审核,一旦发现违反规定的内容,按国家法规处理,处理时间不超过24小时。