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荣获300万美元大奖的光原子钟有何神奇?

2021-09-11 12:06     来源:墨子沙龙     原子核
当地时间2021年9月9日,2022年度“突破奖”在旧金山公布。其中,日本东京大学的香取秀俊(Hidetoshi Katori)和华人物理学家叶军因光原子钟方面的成就获得“基础物理学突破奖”。

获奖理由:对光学晶格钟的发明和发展做出杰出贡献,使得能够对自然的基本定律进行精确检测。

一年前,两人同样因“在量子精密测量方面的突破性成就,特别是在开发极其稳定和精确的光学原子钟方面的成就”而获得了“墨子量子奖”。

那么,光原子钟究竟有何神奇,能够屡屡斩获重要奖项?

(下文节选自施郁教授对墨子量子奖解读中对二人工作的介绍。)

作者 | 施郁(复旦大学物理学系教授)



原子钟是指,原子中的电子改变能量状态时,产生或吸收电磁波,其频率给出时间标准。这个电磁波的频率叫做“跃迁频率”,就是这两个电子能量状态的能量差除以普朗克常数。频率是单位时间的振动次数,频率的倒数是振动的时间周期。 

原子钟是目前最精确的时间和频率标准,用于标准时间的确定、卫星定位,等等。协调世界时(UTC)就是基于国际原子时(IAT),而IAT来自国际上一些互相同步的原子钟所组成的网络,每天误差不超过10−9 秒(即1纳秒)。

1967年,国际度量衡大会用铯原子的最低能量态(叫做“基态”)的两个超精细能量差来定义秒。由于电子与原子核的磁相互作用,原本能量相同的量子态变得能量不一样,之间的差别叫做超精细能量差。著名的氢原子的21厘米线就对应它的超精细能量(对应波长为21厘米,这个波长的电磁波叫做微波)。

以前的原子钟基于常温下原子的微波激射(微波的激光)。但是后来,人们先用激光冷却,将原子温度降到接近绝对零度(0 K),然后再在光腔中探测它们。温度或者其他因素引起电磁波谱线有点宽度,也就说频率有误差。这影响原子钟的精确度,所以要降低温度。多次测量并作平均也能进一步提高精度。激光冷却和俘获、高品质光腔、精确的激光光谱、光梳技术带来了原子钟技术的巨大进步。

频率误差不变的情况下,升高频率也降低相对误差。铯原子钟的跃迁频率是9 × 109Hz,相对精度是10-16 [1]。而可见光频率大概是1014左右,因此光原子钟可以达到更低的相对精度。

实现光原子钟有两个途径。其中一个途径是基于单个离子的冷却和俘获。2019年,美国国家标准技术研究所(NIST)用铝离子实现了频率相对精度9.4×10-19的光原子钟[2]。

光原子钟的另一个途径是基于锶、镱等稀土原子。它们的可见光谱线特别窄,提供了稳定、精确的频率标准,比铯原子钟精确千倍。锶还有一个优点,它的原子钟和激光冷却所用的电子能级可以由半导体激光激发电子去占据。

用光晶格上的一万个锶原子做成的光原子钟

进一步提高精度的一个措施是用量子多粒子系统。对N个全同原子同时测量,使得噪声降低N1/2倍。

好几个研究组用锶的429 THz跃迁频率,这是可见光谱线,谱线宽度小于1Hz,而且通过光晶格上的大量原子来进一步提高精度[3]。

叶军是NIST与科罗拉多大学博尔德分校共建的联合实验室(JILA)的研究员。2017年,他的研究组将约1万个锶原子放在3维光晶格中,实现光原子钟,原子的量子相干保持15秒,相对精度达到2.5 × 10-19[3, 4]。这个误差相当于宇宙年龄误差100毫秒。

他们先将锶原子冷却到15 nK,然后将它们移到3维光晶格上。因为接近绝对零度(0 K),这些原子处于能量最低状态,叫做“简并费米气体”,而且处于莫特绝缘体态,也就是说,每个格点位置上只有一个原子,从而避免了原子之间的相互作用(否则会改变跃迁频率)。对于不同格点上原子之间跃迁频率的微小差别(来自不同格点处电磁波能量的微小差别),他们将超精确光谱学与空间成像技术结合起来,修正了这些差别(图1)。这是一项新技术。


图1 叶军研究组实验的示意图。不同格点上的原子的跃迁频率用钟代表。叶军研究组将超精确光谱学与空间成像技术结合起来,修正了这些差别[3, 4]。

事实上,在此一年前,他们已经实现了3维光晶格上的锶原子的简并费米气体,频率相对精度达到5 × 10–19 [5]。2017年的这个工作(2018年发表)将精度提高到原来的1.4倍[3, 4]。

这么高的精确度,除了作为原子钟,也可以用来研究量子多体物理,还可以研究基础物理问题,比如基本物理常数是否随时间变化,暗物质探测,广义相对论验证,以及量子引力,也可应用到引力波探测,还有实际的应用,比如提高卫星定位的精度、通过测量重力加速度来进行地质勘探,等等。  

可移动的光晶格光原子钟

但是,在某些应用上,需要解决一些问题,光原子钟才能挑战微波原子钟。比如国际原子时依赖于将各地的原子钟相比较,这是以卫星上的原子钟作中介,而目前卫星上的原子钟使用微波。因此地面上的光原子钟还只能以精度比它低的卫星上的微波原子钟为准。另外,还要考虑地球各处引力场的差异,因为对于10-18的精度,几个厘米的高度差就会体现出引力红移(广义相对论效应)。

因此体积小、可移动的光原子钟才可以在这些应用上取代铯原子钟[1]。将它们安装到卫星上,才可以提高国际原子时和卫星导航的精度。在地质测量和基础物理方面的应用也需用可移动的光原子钟。但是可移动性降低了精度,因为实验室里的光原子钟依赖于光学平台这样的笨重但稳定的设备。

最近,日本东京大学的香取秀俊与合作者搭建的两个可移动光原子钟(图2)的精度达到了5 × 10-18[1, 6] 。这个精度相比之前的可移动光原子钟,提高了1个数量级。它们在户外工作,用光纤联系。


图2. 香取秀俊与合作者搭建的两个可移动光原子钟,两个光原子钟用光纤联系起来[6]。

对于光原子钟的两个途径来说,光晶格可以胜过单个离子,但是光晶格上的原子对于电场扰动更敏感,而产生光晶格的激光、附近的电荷,环境中的黑体辐射都可以产生电场扰动。

2003年,香取秀俊与合作者用锶原子搭建了第一个基于光晶格的光原子钟。在此基础上,他们加强了光原子钟的稳定性。他们不断提高精度。2008年,精度达到1×10-15。2011年,精度达到1×10-17。最近这个可移动光晶格的光原子钟的精度达到5 × 10-18。

而在最近的这项工作中[6],他们先将锶原子冷却到几微K,然后将它们放到环形光腔中的一个1维光晶格上。再用激光将俘获原子推到一个黑体辐射屏障中,这个屏障隔离了环境中的黑体辐射。在屏障中,原子完成最后的冷却。用于原子钟的激光尽量准确地调节到跃迁频率。越准确,发生跃迁的原子越多。通过测量激发原子的数目来确定原子钟精度。所有的操作可以通过个人电脑远程控制。

原子钟可用于测量广义相对论效应,也就是引力差异导致的时间差异,即引力红移。据此,目前的GPS卫星定位系统每天调整38皮秒(1皮=10-12)。

以光原子钟的高精度,可以检验广义相对论。广义相对论表明,引力引起的频率相对变化正比于引力势能的差异,比例系数就是光速平方的倒数。如果测量出来的比例系数偏离了光速平方的倒数,就代表对广义相对论的偏离。

香取秀俊与合作者在东京晴空塔,用他们的两个可移动的光原子钟测量了引力红移。他们特意选择了这个并不理想的地点(附近的火车引起的振动较大),以显示设备的抗干扰能力。

他们将一个光原子钟放在塔下,另一个放在450米高处。根据两个光原子钟分别测量到的频率,辅以卫星和激光测量到的高度差,和重力仪在每处测量到的重力加速度,他们得到了比例系数与光速平方倒数的偏离。相对偏离是1.4×10-5。这是迄今对这个偏离的最好的地面测量,比之前的结果精确了1个数量级,接近相距数千公里的卫星的测量结果。 

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