激光镊子有助于稳定原子钟

来自美国的研究团队报告说，基于激光镊子的原子钟为下一代超精密时计提供了一些“独特的可能性”。目前获得的初步数据表明，用光束捕获和控制单个锶原子效果更好。

该研究在科罗拉多大学博尔德分校的JILA（前身为实验室天体物理学联合研究所）开展，研究内容为采用网格状激光阵列捕获和控制每个光束中的单个锶原子。Adam Kaufman及其同事在最新一期“Nature”期刊中描述这种方法提供了近乎连续的操作与强信号和高稳定性的组合，这是以前没有能同时实现的一组特征。

锶原子钟

孤立的原子

该方案的稳定性良好的部分原因是激光镊子可以隔离单个原子，因此原子间不太可能相互干扰。因此，它与基于单个离子的最先进时钟具有共同的优点。而光镊时钟设法将这些特征与多原子晶格的强信号和稳定性相结合。Kaufman在JILA的发布会中表示，光镊设计时钟可与现有时钟竞争的原因是对这些功能的独特平衡具有长期性。

下一代光学原子钟能够将激光频率稳定到两个能级之间跃迁的原子，其出色的精度相当于在宇宙年龄的时间尺度上获得或减少不到一秒的时间。光镊时钟目前看起来还可以进一步提高性能。通过单独捕获和控制原子，以保持稳定性，它们可以多次重复使用相同的原子，而无需不断地提供新的原子。

“使用我们的技术，我们可以保持原子并重复使用它们长达16秒，” Kaufman说道，“这改善了占空比——使用原子跃迁来校正激光频率所花费的时间——和精度。光镊时钟也可以非常迅速地将单个原子送入陷光位置，这意味着干扰更少，并且可以在更长的时间内获得更稳定的信号。“

重新定义“秒”

最终，JILA团队和其他在世界各地的物理标准实验室从事类似技术研究的团队正在为未来重新定义“秒”做准备，自1967年以来，它一直基于铯原子内的微波传播。

在新的JILA光镊时钟中，红外激光瞄准显微镜并聚焦到一个小点。十个不同频率的无线电波被顺序地施加到特殊的偏转器上，该偏转器产生十个光点以捕获单个原子。每隔几秒钟就会从与光镊灯重叠的预冷原子云中提取原子重新填充光陷阱。

然后由光镊钳制的锶原子被另一个激光器激发，该激光器包含一个硅晶体腔。该团队称之为“时钟激光”灯，由联合作者Jun Ye的JILA实验室提供。

但是，如果系统中有太多原子，它们之间的碰撞会使时钟不稳定。为了消除额外的原子，应用一个光脉冲来产生弱结合分子，然后分裂并逃离光陷阱。这意味着光镊站点留有单个原子或空的，这意味着在实验“运行”期间，每个光镊有大约50%的机会是空的或包含单个原子。

目前，他们现在计划建造一个大约150个原子的更大的时钟，并正式评估其性能。Kaufman还希望增加纠缠，这可以提高时钟灵敏度和性能，为量子计算和仿真提供新的平台。