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《德国联邦物理技术研究院（PTB）等机构研究人员用光学钟测量地球重力场的差异，在大地测量学中开辟了新的应用》

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相关报告

  • 《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》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-07-22
    • 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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  • 《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》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2025-01-22
    • 下一代原子钟以激光频率为基准“滴答”计时，这比目前定义秒的铯原子钟的微波频率快约10万倍。这些光学钟目前仍处于试验阶段，但已经有一些光学钟的精度比现有铯原子钟高出百倍。因此，它们有望在未来成为国际单位制（SI）中秒定义的全球基础。然而，在此之前，这些光学钟需要通过反复测试和全球比较来证明其可靠性。德国联邦物理技术研究院（PTB）是全球领先的机构之一，已经实现了一系列不同类型的光学钟，包括光学单离子钟和光学晶格钟。 近日，一种新型的离子晶体钟也证明了其高精度，其测量时间和频率的潜力比目前实现SI秒的铯原子钟高出1000倍。这种新型离子晶体钟与其他光学钟进行了比较，并创下了新的精度纪录。研究人员在《Physical Review Letters》最新一期中报告了这次测量活动的结果。 在光学原子钟中，原子被激光光照射。当激光的频率完全正确时，原子会改变其量子态。在此过程中，所有外部对原子的影响必须被屏蔽或精确测量。在带有囚禁离子的光学钟中，这一点可以很好地实现。离子可以通过电场在真空中被定位到几纳米的范围内。由于出色的控制和隔离，这种钟非常接近理想的无干扰量子系统。因此，离子钟已经达到了超过小数点后18位的系统性不确定性。如果这样的钟从宇宙大爆炸开始计时，到今天最多只会慢一秒。 目前的离子钟使用单个离子运行。由于其信号较弱，需要在长达两周的时间内进行测量，才能确定这种水平的频率。为了充分发挥其潜力，甚至需要长达3年以上的测量时间。 在新开发的钟中，通过并行化大幅缩短了测量时间：在这种情况下，多个离子被同时困在同一个陷阱中，通常还会结合不同类型的离子。通过它们的相互作用，它们形成了一种新的晶体结构。德国联邦物理技术研究院（PTB）的物理学家Jonas Keller解释说：“这个概念还可以结合不同离子的优势。我们使用铟离子，因为它们具有实现高精度的良好特性。此外，为了高效冷却，晶体中还掺杂了镱离子。” 一个挑战是开发一种离子陷阱，它可以像单个离子一样精确地使用这种空间扩展的晶体作为钟。另一个挑战是开发实验方法，以在晶体内部定位冷却离子。研究小组负责人Tanja Mehlst?ubler的团队用新想法令人印象深刻地解决了这些问题：该钟目前达到了接近小数点后18位的精度。 为了与其他钟系统进行必要的比较，还纳入了PTB的两台光学钟和一台微波钟：一台镱单离子钟、一台锶晶格钟和一台铯喷泉钟。在这种情况下，铟钟与镱钟的比例首次达到了总不确定性低于重新定义秒所需的极限。 该概念承诺了一种具有高稳定性和精度的新一代离子钟。它也适用于其他类型的离子，并为进一步开发全新的钟概念提供了可能性，例如使用量子多体态或级联查询多个集合。 这些工作部分得到了德国研究基金会（DFG）的资助，作为卓越集群QuantumFrontiers和特殊研究领域DQ-mat的一部分。 文章信息： H.?N. Hausser, J. Keller, T. Nordmann, N.?M. Bhatt, J. Kiethe, H. Liu, I.?M. Richter, M. von Boehn, J. Rahm et al. : 115In+-172Yb+ Coulomb Crystal Clock with 2.5 × 10?18 Systematic Uncertainty. Phys. Rev. Lett. 134, 023201. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.023201
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