孤立的原子

該方案的穩(wěn)定性良好的部分原因是激光鑷子可以隔離單個(gè)原子，因此原子間不太可能相互干擾。因此，它與基于單個(gè)離子的最先進(jìn)時(shí)鐘具有共同的優(yōu)點(diǎn)。而光鑷時(shí)鐘設(shè)法將這些特征與多原子晶格的強(qiáng)信號(hào)和穩(wěn)定性相結(jié)合。Kaufman在JILA的發(fā)布會(huì)中表示，光鑷設(shè)計(jì)時(shí)鐘可與現(xiàn)有時(shí)鐘競(jìng)爭(zhēng)的原因是對(duì)這些功能的獨(dú)特平衡具有長(zhǎng)期性。

下一代光學(xué)原子鐘能夠?qū)⒓す忸l率穩(wěn)定到兩個(gè)能級(jí)之間躍遷的原子，其出色的精度相當(dāng)于在宇宙年齡的時(shí)間尺度上獲得或減少不到一秒的時(shí)間。光鑷時(shí)鐘目前看起來(lái)還可以進(jìn)一步提高性能。通過單獨(dú)捕獲和控制原子，以保持穩(wěn)定性，它們可以多次重復(fù)使用相同的原子，而無(wú)需不斷地提供新的原子。

“使用我們的技術(shù)，我們可以保持原子并重復(fù)使用它們長(zhǎng)達(dá)16秒，” Kaufman說(shuō)道，“這改善了占空比——使用原子躍遷來(lái)校正激光頻率所花費(fèi)的時(shí)間——和精度。光鑷時(shí)鐘也可以非常迅速地將單個(gè)原子送入陷光位置，這意味著干擾更少，并且可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)獲得更穩(wěn)定的信號(hào)。“

重新定義“秒”

最終，JILA團(tuán)隊(duì)和其他在世界各地的物理標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室從事類似技術(shù)研究的團(tuán)隊(duì)正在為未來(lái)重新定義“秒”做準(zhǔn)備，自1967年以來(lái)，它一直基于銫原子內(nèi)的微波傳播。

在新的JILA光鑷時(shí)鐘中，紅外激光瞄準(zhǔn)顯微鏡并聚焦到一個(gè)小點(diǎn)。十個(gè)不同頻率的無(wú)線電波被順序地施加到特殊的偏轉(zhuǎn)器上，該偏轉(zhuǎn)器產(chǎn)生十個(gè)光點(diǎn)以捕獲單個(gè)原子。每隔幾秒鐘就會(huì)從與光鑷燈重疊的預(yù)冷原子云中提取原子重新填充光陷阱。

然后由光鑷鉗制的鍶原子被另一個(gè)激光器激發(fā)，該激光器包含一個(gè)硅晶體腔。該團(tuán)隊(duì)稱之為“時(shí)鐘激光”燈，由聯(lián)合作者Jun Ye的JILA實(shí)驗(yàn)室提供。

但是，如果系統(tǒng)中有太多原子，它們之間的碰撞會(huì)使時(shí)鐘不穩(wěn)定。為了消除額外的原子，應(yīng)用一個(gè)光脈沖來(lái)產(chǎn)生弱結(jié)合分子，然后分裂并逃離光陷阱。這意味著光鑷站點(diǎn)留有單個(gè)原子或空的，這意味著在實(shí)驗(yàn)“運(yùn)行”期間，每個(gè)光鑷有大約50%的機(jī)會(huì)是空的或包含單個(gè)原子。

目前，他們現(xiàn)在計(jì)劃建造一個(gè)大約150個(gè)原子的更大的時(shí)鐘，并正式評(píng)估其性能。Kaufman還希望增加糾纏，這可以提高時(shí)鐘靈敏度和性能，為量子計(jì)算和仿真提供新的平臺(tái)。