创造世界上最精确的时钟面临的挑战在于，即使是极其微小的偏差也会限制其精度。原子钟依赖于原子状态的相干演化，是人类已知最精确的时间测量装置。然而，要达到这种精度水平，需要深入理解原子之间的相互作用，尤其是在将大量原子密集排列以增强信号强度时。
在最近发表于《Science》期刊（DOI：10.1126/science.ado5987）的一项研究中，来自美国天体物理联合实验室（JILA）和美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究员以及科罗拉多大学博尔德分校的物理教授Jun Ye和Ana Maria Rey深入探讨了原子之间的相互作用，重点关注在三维光学晶格中发生的超交换过程。
超交换相互作用的作用
超交换相互作用是最近邻原子自旋之间的二阶隧穿过程。这些相互作用对于理解反铁磁性和超导性等磁性现象至关重要。在原子钟的背景下，超交换相互作用会影响时钟的相干时间和精度。
要理解超交换的概念，可以想象一场接力赛，接力棒在传递给最后一名选手之前会经过几个中间人。类似地，在超交换相互作用中，原子通过虚拟隧穿过程交换自旋，从而产生相干的自旋动力学。这种相互作用通常很微弱，如果不是为了追求尽可能高的时钟精度，研究人员可能会忽略它。
在研究中，研究人员使用了一种核自旋极化的87Sr原子的退化费米气体，并将其加载到三维光学晶格中。通过调节晶格的约束条件并应用成像光谱学，他们绘制出了有利于原子相干的区域。时钟激光将每个原子准备在两个电子态的相干叠加态中，这可以被视为一个伪自旋1/2。时钟激光的传播效应引入了一个自旋轨道耦合相位，将海森堡自旋模型转变为具有XXZ型自旋各向异性的模型。
论文的第一作者William Milner解释说：“你希望尽可能多地使用原子，以获得最高的精度。当你将它们装入这个三维晶格时，它们开始相互作用。这些原子可以相互‘交流’，因此你不能再将它们视为孤立的原子。”
实验装置涉及一个高度填充的Sr三维晶格，原子被限制在晶格的基带中。研究人员采用拉姆齐光谱学来测量原子的相干性并观察超交换相互作用。这种技术使他们能够直接探测超交换相互作用的相干特性，持续时间可达数秒。
平衡相互作用
研究的一个关键发现是识别了原子相干性最大化的条件。通过改变晶格的约束条件，研究人员观察到s波和p波相互作用如何导致去相干和原子损失。这些相互作用可以通过平衡来实现最佳的相干时间，这对于光学晶格钟的精度至关重要。想象一下用两个体重不同的孩子来平衡一个跷跷板。为了达到平衡，你需要仔细调整他们的位置。类似地，在光学晶格中，研究人员平衡了s波和p波相互作用，以最小化去相干。
然而，在深度横向约束条件下，研究人员直接观察到了相干的超交换相互作用，这种相互作用可以通过现场相互作用和位点间能量转移进行调节。米尔纳进一步解释说：“在这个条件下，超交换相互作用才会出现。这些高阶相互作用的发生是因为原子不能自由移动，但它们可以虚拟地跳到一个位点上，然后再跳回来，同时交换自旋。”
研究直接观察到了超交换动力学，这些动力学表现为拉姆齐条纹对比度的振荡，持续时间达数秒。这些观察结果被一个各向异性的晶格自旋模型很好地捕捉到，由于自旋轨道耦合相位的存在，该模型打破了海森堡SU(2)对称性。此外，实验还展示了通过晶格强度和势能梯度直接调节相互作用的能力。
提升时钟性能
光学晶格钟正在推动基础物理、计量学和量子模拟领域的发展。通过控制超交换相互作用，研究人员能够提升这些时钟的性能，从而实现更精确的时间测量，并为量子磁性和自旋纠缠提供新的见解。
正如一支精心调校的管弦乐队能够呈现出完美的演奏一样，一个受控良好的光学晶格钟可以达到前所未有的精度。实验表明，通过调节晶格约束并控制超交换相互作用，研究人员能够优化时钟的相干时间。这有望进一步推动时间测量技术的发展，并为量子技术开辟新的应用领域。
Milner指出：“通过改变约束条件，你可以让这些超交换相互作用变得非常小，几乎可以忽略不计。另一方面，利用这些相互作用来创建纠缠态是有可能的，这将使精度得到进一步提高。”
Jun Ye教授组的博士后Stefan Lannig补充说：“我们希望在三维晶格中捕获原子，以获得尽可能多的原子数量，从而实现最高的精度，但同时希望样品尽可能小。这有助于我们消除背景效应，达到最佳性能。”
展望未来，这项研究为利用光学晶格钟探索量子磁性和自旋纠缠开辟了新的途径。通过利用超交换相互作用的相干特性，科学家可以更深入地探究多体系统的量子动力学。这可能会带来基础物理学理解方面的突破，并推动先进量子技术的发展。
Jun Ye教授组的这项研究是原子钟和量子计量学领域的一个重要进步。通过揭示超交换相互作用的复杂性，研究人员为提高光学晶格钟的精度和性能奠定了基础。JILA的研究人员正在通过调控原子之间的相互作用，揭开时间本身的奥秘，推动完美时间测量的边界。
这项研究得到了美国能源部量子系统加速器中心、国家科学基金会量子跃迁挑战研究所（QLCI）、JILA物理前沿中心、V. Bush奖学金以及美国国家标准与技术研究院（NIST）的支持。
