下一代原子钟设计具有激光'镊子的控制

JILA / NIST METHEMIST ADAM Kaufman调整了控制和冷却光学镊子时钟中锶原子的激光的设置。原子纯属地捕获了10次镊子 - 激光聚焦到微小的斑点 - 在Kaufman的手后面的方形橙色容器内。

Jila物理学家展示了一种新颖的原子钟设计，将近连续的操作与强信号和高稳定性相结合，先前未在单一类型的下一代原子钟中找到的功能。使用激光“镊子”来捕获，控制和隔离原子的新时钟还提供了使用量子物理特技提高时钟性能的独特可能性。

2019年9月12日发表的文件中描述，新时钟平台是最多10个锶原子的阵列，杂于10个光学镊子，其由通过显微镜的红外激光束产生，由红外激光束产生。偏转成10个斑点。

Jila是由国家标准与技术研究所（NIST）和科罗拉多大学博尔德经营的联合研究和培训学院。

虽然吉拉研究人员尚未充分评估新时钟的性能，但初步数据表明设计很有前景。镊子时钟是“值班”自我验证其性能96％的时间，因为它需要很少的停机时间来准备新的原子和隔离的原子，因此它们不太可能互相干扰。这两种强度都与世界领先时钟之一共享，基于单离子（带电原子）。镊子时钟还可以提供多原子晶格时钟的强信号和稳定性，其在激光栅格中捕获原子。

“Tweezer设计的长期承诺随着竞争时钟的独特平衡，”Jila / NIST物理学家和项目领袖亚当·郭夫曼说。

下一代原子时钟稳定激光的颜色或频率，在两个能级之间的原子“滴答”。镊子钟陷阱和控制原子瞬间以保持滴答稳定性并检测这种行为而不丢失它们，因此可以多次重复使用相同的原子而不需要持续重新加载新的原子。

“Tweezer设计解决了与其他原子钟的各种问题，”Kaufman说。“使用我们的技术，我们可以坚持原子并重新使用它们，只需16秒即可改善占空比 - 使用原子”滴定来校正激光频率和精度的时间的一部分。镊子时钟也可以非常迅速地获得一个原子的陷阱站点，这意味着干扰较小，并且您可以更稳定的信号较长时间。“

NIST和JILA研究人员多年来一直在建立下一代原子钟。这些时钟在光学频率下运行，高于基于微波频率的当前时间标准。该研究有助于为未来的国际重新定义做好准备，这是自1967年以来为基础的铯原子。光学时钟还具有超越计时的应用，例如基于重力测量（称为Geodesy）测量地球形状，搜索难以捉摸的暗物质思想，以构成宇宙中的大部分事情，以及扩大量子信息科学。

为了创建镊子时钟，红外激光束瞄准显微镜并聚焦到小点。10个不同频率的无线电波顺序地施加到特殊的偏转器，以创建10个光的光，用于捕获待渗透原子。陷阱每隔几秒钟从与镊子灯重叠的预冷的原子云每隔几秒钟重新填充。

由镊子保持的原子通过硅晶腔稳定的激光激发，其中光以特定频率来回弹出。这款“时钟激光”光 - 由共同作者和NIST / JILA研究员提供Jun Ye的Lab - 垂直于镊子灯，以及应用的磁场。无损成像显示原子是否正常滴定;原子仅在低能量状态下发光或发光。

系统中的原子太多可能导致碰撞使时钟变得破坏，因此可以摆脱额外的原子，研究人员应用光脉冲以产生弱束缚分子，然后突破并逃离陷阱。镊子站点留下一个原子或空;通过每次运行实验，每个镊子都有大约50％的空气或包含单个原子的可能性。每个站点最多有一个原子会使滴答稳定较长的时间段。

与普通金属镊子一样，激光镊子提供精确的控制，这使得研究人员能够在原子之间改变间距并调整它们的量子特性。Kaufman先前已经使用过光镊子“缠结”两个原子，即使在距离处也能够将其性能联系起来的量子现象。镊子用于激发原子，使其电子对细胞核更弱。这种“蓬松”状态使得更容易捕获原子在称为旋转和旋转的相对的内部磁力状态。然后一个名为旋转交换的过程纠缠原子。特殊量子状态如纠缠可以提高测量灵敏度，因此可以提高时钟精度。

研究团队现在计划建立更大的时钟并正式评估其性能。具体而言，研究人员计划使用更多的镊子和原子，靶为约150个原子。Kaufman还计划增加纠缠，可以提高时钟灵敏度和性能，并且在单独的应用中，可能为量子计算和仿真提供新的平台。

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这项工作得到了军队研究办公室，国防高级研究项目，国家科学基金会物理边疆中心，在吉拉和NIST的支持。

参考：Matthew A. Norcia，Aaron J. Eckner，Eric Oelker，Jun Ye和Adam M.Kaufman，2019年9月12日，诺珊W. Young，William J. Ockner，Eric Oelker，Jun Ye和Adam M.Kaufman，Matthew A. Norcia，Aron W. Young，William J. Ockner，Jun Ye和Adam M. Kaufman。
10.1126 / science.aay0644.