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《德国联邦物理技术研究院（PTB）等机构研究人员首次实现用于加速原子钟测量的方法》

  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2024-08-20

  • 光学原子钟是目前这个时代最精确的测量仪器之一。它们不仅用于精确的时间测量，还用于卫星导航和基础物理学。

    近日，德国联邦物理技术研究院（PTB）和汉诺威莱布尼茨大学（LUH）的研究人员现在首次通过实验实现了一种以前仅在理论上描述的用于加速原子钟测量的方法。他们的研究结果是作为QuantumFrontiers卓越集群和DQ-mat合作研究中心的一部分获得的，现已发表在《Physical Review Letters》期刊上（10.1103/PhysRevLett.133.033203）。

    目前可用的最精确的原子钟使用各种带电原子（离子）作为时钟。这些被捕获在使用电场的离子阱中，用激光冷却，然后将它们的参考跃迁与高度稳定的激光器进行比较。可以捕获的离子越多，扫描的时间越长，时钟达到一定分辨率的速度就越快。然而，到目前为止，大多数离子钟只使用一个离子，因为不均匀的场使得控制几个离子变得困难。由PTB的Lennart Pelzer领导的一个团队现在成功地使更大的钙离子链对电场和磁场的影响不那么敏感。为此，他们使用了一种称为“连续动态解耦”的量子力学技巧。在这样做的时候，他们通过辐射特殊的射频场来耦合钙离子中的几个原子能级。通过这种方式，他们能够更长时间地询问几个离子，从而更快地实现低测量不确定度。使用这种方法，研究人员能够将钙（一种以前因对电场和磁场敏感而不太合适的原子物种）转化为良好的频率参考。钙是一种有吸引力的时钟候选者，因为它可以用相对简单的激光系统来控制，并且正在开发缩放技术来控制量子计算中的许多离子。该技术现在可以用于铝钙组合时钟，以改善整个系统。类似的技巧也可能对其他时钟系统感兴趣。

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    • 编译者：李晓萌
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    • 经过几十年的研究，德国联邦物理技术研究院（PTB）的研究人员取得了非凡的量子飞跃——无论是形象上还是字面上：他们已经确定了激发钍-229元素原子核的确切激光频率，使其从一个能级向紧邻的能级实现量子飞跃。这种激光核激发为新型原子钟打开了大门，这种原子钟可能比我们今天的原子钟更准确。它们将实现前所未有的精度测量——深入了解量子世界，了解宇宙起源和暗物质性质的新知识。PTB和维也纳工业大学之间的合作使这成为可能。这篇科学论文现已发表在《Physical Review Letters》期刊上。 与原子核相比，激发原子壳中的电子长期以来一直是一种广泛使用的方法：当激光的波长被精确调谐时，电子从一种状态变为另一种状态。通过这种方式，可以非常精确地测量原子或分子中存在的能量特性。许多精密计量技术，如今天的原子钟和化学分析方法，都是基于这一原理。为了将信息存储在原子或分子中，激光也被用于量子计算机。 很长一段时间以来，似乎不可能将这些技术应用于原子核，因为原子核也可以存在于不同的量子态中。然而，这至少需要比激发电子所需的能量高出数千倍的能量。原子核将是精确测量的完美量子物体：它们被电子壳层包围，受到保护，因此不太容易受到外部扰动的影响。原则上，它们将允许进行前所未有的精确测量。 自20世纪70年代以来，人们一直猜测同位素钍-229的原子核可能被激光特异性激发。它有两个非常接近的能量状态，所以激光应该足以改变原子核的状态。但在很长一段时间里，只有间接证据表明这种转变存在。这是因为只有模糊已知的跃迁能量必须用精确到百万分之一电子伏特的激光照射，才能以有针对性的方式激发它。 为了解决这个问题，PTB和TU Wien在2020年启动了一个由欧洲研究理事会资助的合作项目。在PTB，开发了一种所需紫外线波长约为148nm的激光系统，而TU Wien生产的晶体中专门掺入了大量的钍核。这两项任务不仅具有开创性，而且在技术上也非常复杂。然而，最终，它们使得与激光同时撞击大约10万亿（1016）钍核成为可能，即，可以放大核对激光激发的响应，可以减少必要的测量时间，并且可以增加找到所需能量跃迁的概率。 因此，PTB研究人员成功地精确地击中了目标钍跃迁的能量，钍核首次发出了明确的信号：激光束专门切换了它们的状态。 激光核激发的成功为核钟铺平了道路，它可能比今天的原子钟更准确。这可能有助于回答量子研究中关于我们世界起源的一些基本问题，例如自宇宙大爆炸以来，自然界的常数是否一直保持不变。如果现在已经实现的掺钍晶体得到进一步发展，钍核可以作为探针专门结合到晶体或分子中，并在那里获得关于微观材料性质的新信息。
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  • 《德国联邦物理技术研究院（PTB）研究团队开发的新型光学原子钟在比较测量中达到了创纪录的精度，为“秒”的重新定义奠定基础》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2025-03-26
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