离子时钟闯入新的精确制度

哪个周期振荡器会成为最好的时钟?没有人真的知道。但在1982年,汉斯·德赫梅尔特(Hans Dehmelt)后来因其离子阱的发展而获得诺贝尔奖,他意识到“终极”时间管理员可能是一个单一的离子,被电场困住并用激光冷却[ 1 ]。Dehmelt估计,离子在两个内部状态之间转换时发出的光的频率可以用1 0的分数不确定度来测量 - 1 8,允许类似精确地定义第二个作为光波的固定数量的周期。近四十年后,研究人员完成了Dehmelt的远见预测。来自科罗拉多州国家标准与技术研究院(NIST)的Samuel Brewer及其同事报告了 Al +离子时钟,分数不确定度为0 。9 4 × 1 0 - 1 8,今天存在的最精确的时钟[ 2 ]。在所谓的光晶格使用不同的离子或中性原子,其它基团有望很快达到1 0 - 1 8里程碑[ 3 - 7 ],这将允许对基本常数的变化进行越来越精确的测试。

与其他原子系统一样,离子具有很大的优势,即它们的自然跃迁频率仅由物理常数和量子力学决定。如果离子处于受控环境中,则该频率可以在地球上的任何地方甚至在空间中再现。Dehmelt的大胆预测源于他意识到离子的环境原则上可以被控制到接近完美。激光冷却和离子俘获的结合将使离子保持在接近静止的状态,甚至避免最微小的相对论性转变为离子频率。

Dehmelt在其1982年的论文中指出 2 7人+特别是作为高精度时钟的优秀候选[ 1 ]。该离子的转变大约为1 。2 1 × 1 0 1 5赫兹具有极小的自然线宽8 兆赫[ 8 ]。与其他光学时钟系统相比, Al +过渡对黑体辐射或外部磁场和电场梯度的敏感性要小得多[ 6 ]。但离子有两个严重的缺点。其最容易进行激光冷却的原子跃迁是在真空紫外线下,因此对于当今的激光技术来说是不切实际的。出于类似的原因,使用传统的光散射测量难以检测离子的量子态。在2005年,NIST小组表明他们可以通过诱捕Al来解决这些问题 +旁边的另一个离子(图1)可以更容易地激光冷却和检测[ 9 ]。当伴侣离子冷却时,它会从铝中吸收热量 +离子通过库仑相互作用。可以利用相同的相互作用来“压印” Al +关于其伙伴的运动状态的电子状态,可以通过测量来表征Al +离子。应用这种称为量子逻辑光谱的伙伴技术,NIST研究人员在2007年能够测量铝 +时钟转换为5 × 1 0 - 1 5不确定性[ 8 ]。

随着冷却技术的到位,NIST集团在过去的十年里一直在争夺Al的主要扰动 +时钟频率:陷阱中离子的残余运动。这种运动主要来自两个来源 - 陷阱和热效应(图 2) - 它们都影响Al +由于其质量小,它们比其他时钟离子更多。第一个来源,称为微动,来自陷阱本身,它由多个电极组成,其电压以射频(rf)振荡并产生“四极”电场配置(图 2,左)。理想情况下,离子位于此射频场为零的位置。但是陷阱中的缺陷可以将离子置换到有限射频场的区域,这会扰乱离子的能级(通过交流斯塔克效应)。该场还加速了离子,导致时钟频率的时间膨胀。在他们的新作品中,Brewer 等人。通过以较低的射频和电压操作陷阱并对剩余的微动作进行实时校正,减少了由这两种影响产生的不确定性。

第二个来源,称为长期运动(图 2,右),来自被困离子及其伴侣的热运动( 2 5镁+在新的实验中。)离子对有6个运动自由度,每个自由度都有助于时间膨胀的变化。电场噪声和其他来源加热离子,但新的陷阱设计帮助研究人员在测量离子频率时将加热速率降至最低。在早期工作[ 10 ]的基础上,他们还使用激光冷却方案,使离子对接近其3D运动基态。

解决运动扰动是跨越长期寻求的1 0的重要部分 - 1 8不确定性阈值 但另一个关键步骤是减少存在的不确定性,因为需要外部磁场来定义量子逻辑时钟的量化轴。该字段将时钟转换移动一个量,该量随着场强的平方乘以“灵敏度”系数而变化,从而产生大约1 0的分数偏移。 - 1 5。Brewer和同事减半的不确定性从这个“二次塞曼移”通过精确测量的场强(在 原位,通过铝 +通过开发一种测量灵敏度系数的改进方法[ 11 ]。与不确定性的从微动(下降5 。9 × 1 0 - 1 9),久期运动(2 。9 × 1 0 - 1 9),二次塞曼移(3 。7 × 1 0 - 1 9)和其他消息来源,该团队报告的综合不确定性为9 。4 × 1 0 - 1 9。

在过去的20年里,研究人员在光学时钟方面取得了令人瞩目的进展,将不确定性降低了4个数量级。这一成功来自于实验方法的无数改进,包括激光稳定,原子状态的激光操纵​​,激光冷却,特别是频率测量的突破。就其本身而言,以精确频率发射的离子不足以制造时钟 - 必须计算光的振荡,这是飞秒频率梳的发展所实现的步骤。

今天,最好的光学时钟已经足够精确,有利于其预期的应用 - 例如重新定义SI秒,绘制地球的引力势,测试基础物理和导航。不过,1 0很自然 - 1 9 将成为新的目标,无论是内在的挑战还是延续精确测量的悠久传统,这些传统已经导致了宇宙的发现。

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