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《美国国家标准与技术研究院（NIST）开展片上多时间尺度时空光学同步技术研究：拓扑光子学实现非谐波锁模新突破》

  • 编译者： 张宇
  • 发布时间：2025-10-15
  • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究结果确立了拓扑频率梳作为一种稳健的平台，用于独立可调的、晶格尺度的同步，为探索集成光子学中非线性与拓扑的相互作用开辟了新方向。模式锁定是非线性光学的基础，推动了计量学、光谱学和通信领域的进步。然而，它在非谐波、多时间尺度领域仍处于未被探索的阶段。NIST的研究人员通过拓扑光子学实现了芯片上的多时间尺度同步。他们设计了一个由261个耦合的硅氮化物环形谐振器组成的二维晶格，该晶格支持嵌套的模式锁定态，具有快速（约1太赫兹）单环和慢速（约3吉赫兹）拓扑超环时间尺度。进而观察到多时间尺度模式锁定的清晰特征，包括在两个方位角模式族中泵噪声的二次分布，这与理论一致。这些发现得到了接近变换极限的重复拍频和在慢时间尺度上出现的周期性时间模式的支持。边缘束缚态与体态和单环模式表现出不同的动态特性，从而能够清晰识别。（DOI：10.1126/sciadv.adw7696）
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）通过地球观测卫星接收到的月球亮度的新测量值作为基准来更准确地观察地球》
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-06-24
    • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）基于最新收集的有关月光、深空和远在云层上方的大量观测数据用于改善地球上的天气预报、矿产勘探和农业生产。 现在，NIST对月球亮度的测量比以前可用的数据准确10倍，这对工程师来说是一种宝贵的资源，他们可以使用这些数据来校准地球观测卫星上的视觉传感器。适当的校准有助于确保这些卫星准确记录来自地面、水域和远处植被的实际光量和颜色数据。NIST通过在NASA的高轨道飞行器上部署其设备来获得一套新的月光观测数据。 “我们发布这些数据的目标是帮助卫星行业开发更好的月球亮度观测模型，”美国国家标准与技术研究院（NIST）该项目的小组负责人乔·赖斯（Joe Rice）说。“使用这些数据将有助于确保科学家更准确地了解来自轨道上拍摄的地球图像的实际含义。” 在使用卫星拍摄地球的可靠图像数据之前，需要对卫星的图像传感器进行校准以确保它们所记录数据的准确性。如果没有这个至关重要的步骤，传感器可能会显示一大片地区的颜色深浅或强度与实际情况不同，从而导致农民或勘探工作者基于这种不准确的信息做出错误的决策。 有时，工程师会在发射前进行校准，但这需要耗费很多时间、金钱和精力，部分原因是搭乘火箭前往太空会给卫星带来很大的压力。发射时的加速会使卫星不得不承受数倍的地心引力，而飞行过程中的强烈振动会使仪器产生剧烈的摇晃，这可能会降低或抵消校准的效果。 较大的卫星可能会携带允许它们在发射后进行自我校准的设备，但此类设备会增加重量并占用宝贵的内部空间。而且并非所有卫星的设计结构中都给这类设备预留的足够大的空间。在由几个边长为10厘米的立方体模块构建的卫星结构中，有效载荷的空间通常都非常珍贵。 一种更简单的方法是利用来自月球的光，它的反射特性随时间产生的变化很小，因此提供了一个稳定的基准。卫星传感器有时可能会拍摄包含月球的图像，并且可以根据从月球表面反射的不同波长的光来校准传感器。 陆基望远镜难以获得月球亮度观测的准确细节，因为我们星球不断变化的大气层带来了太多的不确定性。因此，NIST物理学家约翰·伍德沃德（John Woodward）和他的同事们安排将一台特殊的望远镜安装在飞行高度为7万英尺（21公里）的NASA ER-2飞行器上，这一高度可以排除95%的大气层影响。这项任务被称为机载月面反射光谱观测任务（air-LUSI），从NASA的阿姆斯特朗飞行研究中心起飞。经过数年的工程设计和试飞，该项目最终于2022年开始收集数据，并于2025年初进行了最新的一次在轨观测。 与以前的月球亮度观测模型相比，优化的模型所观测到的数据集有了明显的改进，这些模型被设计为擅长进行观测数据处理，数据中可以显示出传感器的性能如何随时间变化，但很难确定地球本身是否发生了变化以及如何产生的变化。新数据不仅降低了地面数据固有的不确定性，而且还与国际单位制（SI）紧密相连，使其更易于应用。 “这个数据集的准确性比人们以前使用的数据高10倍，”伍德沃德说。“它将推动我们对校准卫星的其他方式进行更有效的改进。” 该数据集现在可通过NIST的数据门户网站获得，采用科学界广泛使用的netCDF格式。它包含月面反射光谱测量值以及与之相关的时间、位置和不确定性信息。它还包含了有关NIST所使用仪器的信息，以帮助人们将其与自己的传感器性能进行对比。此外，还提供了有关如何读取和显示数据的详细信息，以及引导用户开始使用该数据的指南。 伍德沃德说，他对该数据集未来的使用前景持乐观态度。原因之一是，卫星之间准确且一致的校准能力，将使地面观测者能够更有效地发现数据集中所揭示的变化趋势。 “卫星是昂贵的国家资产，你希望它们尽可能有用，”他说。“如果我们使用月球来校准它们，卫星观测可能会变得更有价值。例如，我们会知道农田的颜色是否因为雨水改善了作物健康状况，而不是因为两颗不同的卫星在不同的时间拍摄了两张不同的图像。 air-LUSI项目是美国国家航空航天局（NASA）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、美国地质调查局（USGS）、马里兰大学巴尔的摩县分校和加拿大安大略省麦克马斯特大学的科学家和工程师之间的合作项目。
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员利用新型原子温度计实现更精确的温度测量》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2025-03-26
    • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员开发了一种新型温度计，利用被激发到极高能级的原子，这些原子的体积比正常原子大一千倍。通过监测这些巨大的“里德堡原子”与周围环境中的热量如何相互作用，研究人员能够以极高的精度测量温度。这种温度计的灵敏度有望在从量子研究到工业制造等多个领域提升温度测量的准确性。 与传统温度计不同，里德堡温度计无需在工厂进行初始调整或校准，因为它依赖于量子物理的基本原理。这些基本的量子原理能够产生精确的测量结果，并且可以直接追溯到国际标准。 “我们正在开发一种温度计，它无需像现有温度计那样进行常规校准，就能提供准确的温度读数。”NIST的博士后研究员Noah Schlossberger表示。 革新温度测量技术 该研究于2025年1月23日发表于《Physical Review Research》期刊，是首次成功利用里德堡原子进行温度测量。为了制造这种温度计，研究人员在一个真空室内填充了铷原子气体，并使用激光和磁场将原子冷却至接近绝对零度，大约为0.5毫开尔文（千分之一度）。这意味着原子几乎处于静止状态。随后，研究人员利用激光将原子的最外层电子激发到非常高的轨道，使原子的体积比普通铷原子大了约1000倍。 在里德堡原子中，最外层电子远离原子核，因此对电场和其他影响因素更为敏感，其中包括黑体辐射，即周围物体发出的热量。黑体辐射可导致里德堡原子中的电子跃迁至更高轨道。温度升高会增加环境中的黑体辐射量，并加快这一过程。因此，研究人员可以通过跟踪这些能量跃迁随时间的变化来测量温度。 这种方法能够检测到极其微小的温度变化。尽管还有其他类型的量子温度计，但里德堡温度计可以在不接触被测物体的情况下，测量其周围环境从大约0到100摄氏度的温度。 这一突破不仅为新型温度计的开发铺平了道路，而且对于原子钟来说意义重大，因为黑体辐射会降低原子钟的精度。 “原子钟对温度变化极为敏感，这可能导致其测量结果出现微小误差。”美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究科学家Chris Holloway表示，“我们希望这项新技术能够帮助我们的原子钟变得更加精确。” 除了在精密科学领域之外，这种新型温度计还可能在极具挑战性的环境中得到广泛应用，例如航天器和先进制造工厂，这些地方都需要极其精确的温度读数。 凭借这一成果，NIST继续推动科学技术的边界。 “这种方法为一个温度测量与自然基本常数一样可靠的世界打开了大门。”Holloway补充道，“这是量子传感技术向前迈出的令人兴奋的一步。” 文章信息：Noah Schlossberger, et al. Primary quantum thermometry of mm-wave blackbody radiation via induced state transfer in Rydberg states of cold atoms. Physical Review Research. Published online Jan. 23, 2025. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.L012020
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