什么是光晶格钟（Optical Lattice Clocks）？

光学晶格钟通过达到前所未有的精确水平，彻底改变了科学计时。本文将介绍光学晶格钟的概况，它们是如何工作的，它们对精确计时的影响，以及最近的研究结果。
 

图片来源：Max4e Photo/Shutterstock.com

光晶格钟是下一代原子钟，它使用限制在三维光晶格中的超冷中性（锶和镱）原子来创造一个高度精确的时间测量。

这项革命性的技术是由KATORI Hidetoshi在2001年首次提出的，现在被国际上广泛认可为国际系统（SI）秒的第二代表。

这些时钟提供18位数的时间测量精度，相当于300亿年内只有一秒的误差。

光栅钟是如何工作的？
光格子钟使用由光波干涉产生的亮点和暗点组成的格子来捕获单个原子，这些原子被冷却到接近绝对零度以减少运动。

原子使用光来保持其能量水平，但一个 "神奇的波长 "确保时钟频率保持不变。该时钟通过确定原子能级之间的转换频率来测量时间，使用几千个原子通过平均测量来提高精确度。

用光格子钟改善精确计时
目前对时间（秒）的定义依赖于铯原子钟，它通过测量光波的振荡而工作。尽管铯原子钟的效率很高，但由于多普勒频移和测量过程带来了一些不确定性，因此还有改进的余地。

光学晶格钟提供了一个有希望的解决方案，因为它们有非常高的治理频率，这导致了更高的稳定性和更低的频率不确定性。此外，这些时钟可以同时使用数以千计的中性原子，导致非常低的不稳定性和出色的信噪比，减少统计噪声，更快地达到较低的频率不确定性。

光学时钟的精度还能更精确地测量系统移位，减少不确定性并提高整体时钟性能。因此，光学晶格钟有可能在精度、稳定性和准确性方面比铯原子钟有明显的改进。

世界上首次采用光格子钟来产生国家标准时间

 

国家信息与通信技术研究所（NICT）成为世界上第一个使用光点阵时钟设定标准时间的组织。

NICT通过调整时间间隔与光阵时钟同步，成功地减少了其生成的时间（日本标准时间）与协调世界时（UTC）之间的差异（达到十亿分之一秒）。

这一显著的进步将光阵时钟与现有的时间生成技术相结合，使NICT能够在不依赖GPS时间或UTC的情况下长时间独立保持精确的时间。

这一突破将影响秒在SI单位中的重新定义，并大大减少频繁调整以保持日本标准时间和UTC之间的同步的需要。

最近的研究和开发
超精确复用光格原子钟
威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家设计了一种新型的多路复用光学晶格时钟，在测量时间差方面具有超凡的精度。此外，这个时钟可以在同一环境下与六个独立的时钟一起工作，使该团队有可能检测暗物质，测试引力波，并利用时钟深入研究新物理学。

该时钟使用锶原子，在真空室中分为多个时钟。该团队可以通过同时用激光照射两个时钟来比较带有激发电子的原子的数量，使他们能够在更长的时间内进行实验。

研究人员想测量他们在稍微不同的环境中能多准确地分辨出两组原子之间的差异，这影响了它们的滴答声速率。

他们检测到了相当于两个时钟每3000亿年才有一次分歧的差异，为两个空间分离的时钟设定了一个新的世界。

可现场部署的紧凑型光格子钟设计
近年来，光格子钟的发展在推动全球通信、导航系统，甚至重新定义标准计量单位等领域方面显示出巨大潜力。然而，当前模型的尺寸和灵敏度限制了它们在现实世界的部署。

在英国国防科技实验室的支持下，一组量子物理学家已经开发了一种新的方法来解决这些挑战。该小组在超冷锶原子的基础上创造了一个坚固和可运输的设计，占地面积小，只有120升，重量不到75公斤。

该设计以超高真空室为中心，比以前用于量子计时的任何真空室都小。研究小组在一秒钟内捕获了大约16万个超冷原子，并将该系统运送到200公里以外，设置时间不到90分钟。

这项研究为在实验室外的环境中使用光学晶格钟提供了新的可能性，并对各个领域产生了影响。

未来展望
光学晶格钟具有前所未有的稳定性和准确性，使其在各个领域的未来应用前景广阔。例如，该技术已经为基础物理学测试做出了贡献，并有可能帮助寻找暗物质。

在未来，这种时钟可用于产生低噪声电子信号，协助深空导航，以及探测引力势和引力波的波动。此外，光学钟的高灵敏度使它们成为检测甚至是小的海拔变化的理想选择，使它们在大地测量方面的应用非常有用。

随着技术的成熟，研究人员正在努力开发可以在实验室外运行的移动光学晶格钟系统。

 

参考资料

NICT. (2022). The World's First Use of an Optical Lattice Clock to Keep National Standard Time. [Online]. Available from: https://www.nict.go.jp/en/press/2022/06/20-1.html#kiji1 (Accessed on 12 March 2023)

NIST. (2022). Optical Lattices: Webs of Light. [Online]. National Institute of Standards and Technology. Available from: https://www.nist.gov/physics/what-are-optical-lattices (Accessed on 12 March 2023)

Zheng, X., Dolde, J., Lochab, V., Merriman, B. N., Li, H., & Kolkowitz, S. (2022). Differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock. Nature, 602(7897), 425-430. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04344-y

Kale, Y. B., Singh, A., Gellesch, M., Jones, J. M., Morris, D., Aldous, M., ... & Singh, Y. (2022). Field deployable atomics package for an optical lattice clock. Quantum Science and Technology, 7(4), 045004. https://doi.org/10.1088/2058-9565/ac7b40

Oates, C. W., & Ludlow, A. D. (2015). Optical Lattice Clocks. [Online]. Optics & Photonics News. Available from: https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_26/january_2015/features/optical_lattice_clocks/ (Accessed on 12 March 2023)

Orzel, C. (2022). What is an Optical Lattice, and Why Does it Make Such Good Clocks? [Online]. Forbes. Available from: https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2022/02/17/what-is-an-optical-lattice-and-why-does-it-make-such-good-clocks/ (Accessed on 12 March 2023)

作者：Owais Ali

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。