您的位置:首页-公司动态 - 公司新闻- 美国NIST物理学家激光器控制和冷却光学镊子时钟中的锶原子

美国NIST物理学家激光器控制和冷却光学镊子时钟中的锶原子

发布时间:2019.09.16 新闻来源:NIST标准品_NIST现货供应商_东莞市景源实验科技有限公司 浏览次数:
JILA物理学家展示了一种新颖的原子钟设计,它将近乎连续的操作与强信号和高稳定性相结合,这些特征以前在单一类型的下一代原子钟中并不存在。新的时钟使用激光“镊子”来捕获,控制和隔离原子,也提供了使用量子物理技巧提高时钟性能的独特可能性。 

该杂志于9月12日发表的一篇论文中描述 科学,新时钟平台是由10个光学镊子,其通过针对通过显微镜和偏转到10个部位的红外线激光束创建的单独限于至多10个锶的原子阵列。



JILA是由美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校运营的联合研究和培训机构。

虽然JILA研究人员尚未对新时钟的性能进行全面评估,但初步数据表明该设计很有前景。镊子时钟是“值班”的,在96%的时间内自动验证其性能,因为它需要很少的停机时间来准备新原子和原子很好地隔离,因此它们不太可能相互干扰。这两种优势都与世界领先的时钟之一共享,后者基于单个离子(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,其将原子捕获在激光网格中。

“镊子设计作为竞争时钟的长期承诺源于其对这些功能的独特平衡,”JILA / NIST物理学家兼项目负责人Adam Kaufman说。 

下一代原子钟可以将激光的颜色或频率稳定在两个能级之间“滴答”的原子上。镊子时钟分别捕获和控制原子以保持滴答稳定性并检测此行为而不会丢失它们,因此可以多次重复使用相同的原子而无需不断重新加载新原子。

“镊子设计解决了其他原子钟的各种问题,”考夫曼说。“使用我们的技术,我们可以保持原子并重复使用它们长达16秒,这可以改善占空比 - 使用原子滴答来校正激光频率所花费的时间 - 和精度。镊子时钟也可以非常迅速地将单个原子送入陷阱位置,这意味着干扰更少,并且您可以在更长的时间内获得更稳定的信号。“ 

NIST和JILA研究人员多年来一直在建造下一代原子钟。这些时钟在光学频率下工作,这比基于微波频率的当前时间标准高得多。这项研究正在帮助为未来的国际重新定义做准备,第二次基于自1967年以来的铯原子。光学时钟也有超越计时的应用,例如基于重力测量(称为大地测量)测量地球的形状,寻找难以捉摸的暗物质被认为构成了宇宙中的大部分物质,并且扩展了量子信息科学。 

为了制作镊子时钟,红外激光束瞄准显微镜并聚焦到一个小点。将10个不同频率的无线电波顺序地施加到特殊的偏转器上以产生10个光点以捕获单个原子。每隔几秒钟就会从与镊子灯重叠的预冷原子云中重新填充陷阱。 

由镊子保持的原子被由硅晶体腔稳定的激光激发,其中光以特定频率来回反弹。这个“时钟激光”灯 - 由合着者和NIST / JILA同事Jun Ye的实验室提供 - 垂直于镊子灯应用,并施加磁场。非破坏性成像显示原子是否正确滴答; 当处于较低能量状态时,原子仅发光或发荧光。 

系统中太多原子会导致时钟不稳定的碰撞,因此为了摆脱额外的原子,研究人员应用光脉冲来产生弱结合分子,然后分裂并逃离陷阱。镊子站点留有一个原子或空; 每次运行实验时,每个镊子有大约50%的机会是空的或含有一个原子。每个站点最多有一个原子使得滴答声保持较长时间。

与普通金属镊子一样,激光镊子提供精确控制,使研究人员能够改变原子之间的间距并调整其量子特性。考夫曼此前曾使用光学镊子“缠绕”两个原子,这是一种量子现象,甚至可以在远处连接它们的特性。镊子用于激发原子,因此它们的电子更弱地结合到原子核上。这种“蓬松”状态使得更容易将原子捕获在称为旋转和旋转的相反内部磁状态中。然后,一个称为自旋交换的过程会缠绕原子。纠缠等特殊量子态可以提高测量灵敏度,从而提高时钟精度。 

研究小组现在计划建立一个更大的时钟并正式评估其性能。具体来说,研究人员计划使用更多的镊子和原子,目标是大约150个原子。Kaufman还计划增加纠缠,这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。

这项工作得到了陆军研究办公室,空军科学研究办公室,国防高级研究计划局,JILA国家科学基金会物理前沿中心和NIST的支持。 

论文:MA Norcia,AW Young,WJ Eckner,E。Oelker,J。Ye和AM Kaufman。镊子阵列中光学时钟转换的秒级相干性。科学。发布于2019年9月12日
本文共分 1
分享到:
上一篇:美国商业部国家标准与技术研究院NIST向19家小企业提供了近400万美元的赠款
下一篇:美国NIST宣布OSAC 2.0计划法医科学组织的变更将简化标准审批程序