新紀錄！華人科學家造出迄今最精準原子鐘

近日，美國實驗室天體物理聯合研究所（JILA）的物理學家設計了一種新的原子鐘。其中，鍶原子被裝入了一個微小的的三維（3-D）立方體中，其密度較以前一維（1-D）原子鐘設計中鍶原子的密度高出近 1000 倍。

在近代，原子鐘一直在更新測量科學的極限，這指的不僅是在計時和導航方面，還在其他測量單位以及有關研究領域的定義上，比如在尋找宇宙中缺少的「暗物質」工作。

而在這次的研究中，科學家會首先用一種被稱為「量子氣體」的超控行為來製造測量設備。

由於有很多原子處於完全固定在原位（不能動）的狀態，JILA 的 3D 量子氣體原子鐘增添了一個名為「品質因子（quality factor）」的值，並以此獲得其測量精度。較大的質量因子值會轉化為原子和用於探測它們的激光間的高頻同步，使時鐘在相當長的一段時間內「走」的十分穩定，並以此實現更高的測量精度。

目前，在已有的高級原子鐘設計中，數千個「滴答走時」的原子中每一個原子都具有很大的獨立性。而 JILA 的新型立方量子氣體原子鐘則使用了相互作用的原子集合來約束碰撞並改善測量。該設計被認為能極大改善目前多個基於可控量子系統的領域內的研究和測量情況。

圖丨葉軍

美國國家標準技術研究所（NIST，National Institute of Standards and Technology）的物理學家葉軍說：「我們正在進入一個令人激動的時代，科技讓我們能為一個測量目的在量子層面上改造物質的狀態。」他也是此次研究成果的主要貢獻者之一。

原子鐘的核心部件是一種稱為退化費米氣體（費米子粒子的量子氣體）的特殊物質態，該概念由葉軍後來的的同事 Deborah Jin 在 1999 年時首次提出。此前的原子鐘在設計中都使用的是熱氣體（thermal gases），而使用量子氣體則能使原子鐘內所有原子的性質被量化或被限制於特定的值。

葉軍說：「3-D 量子氣體原子鐘最重要的一個潛力是它能擴大涉及的原子數量，這將極大的提升原子鐘穩定性。此外，我們還能達到在相干時間下運行原子鐘的理想條件，這與那些『滴答走時』 的原子能保持多長的穩定時間有關。總的來說，擴大原子數和相干時間的能力將使新一代原子鐘較上一代發生質的改變。」

截止目前，原子鐘已經能將每個原子視為一個單獨的量子粒子。雖然原子之間的相互作用則引出了測量問題，但一個「量子多體系統」的控制集合會將所有原子排列在特定的模式或相關性上，並使系統產生出具有最低的總能量狀態。之後，不管添加多少原子到系統中，原子都會減少彼此之間發生的相互作用。其中，原子的氣體自身會變成絕緣子，並阻止有關相互作用的發生。

該新型原子鐘的設計能夠在性能上超越此前所有的原子鐘設計。例如，穩定性可以被想成是每個原子「滴答」的持續時間與它其他「滴答」的持續時間的吻合程度，與原子鐘的測量精度直接相關。與葉軍之前的 1-D 原子鐘相比，新的 3-D 量子氣體原子鐘能以快 20 倍的速度達到同一精度水平（因為原子數量大，相干時間更長）。

此前，JILA 的老式 1-D 鍾曾是世界上最精確的原子鐘。該時鐘將鍶原子保持在由稱為光學晶格的激光束構成的扁平狀陷阱的線性陣列中。而新的 3-D 量子氣體原子鐘則使用附加的激光器沿著三個軸捕獲原子，使原子保持在立方排列 (cubic arrangement) 中。其中，10,000 個鍶原子以每立方厘米 10 萬億原子的密度被捕獲，並使原子鐘可以保持穩定計時長達 10 秒。在未來，該原子鐘或許能夠一次捕獲數百萬個原子，穩定計時超過 100 秒。

光學晶體鍾雖然在一維的設計中表現很好，卻面臨一個「得失性」問題。它能通過增加原子數來改善鐘的穩定性，但是較高的原子密度會導致原子間發生更多的碰撞，使原子「滴答走時」的頻率發生變化並降低鐘的精度。同時，相干時間也會受到原子間碰撞的限制。這裡便是多體系統相關性可以起到作用的地方。

3-D 晶格設計——好比一個大的雞蛋盒，會通過將原子保持在原位來消除這種「得失」問題。所用的原子是費米子，即一種不能同時處於相同量子態和位置的粒子。對於在這種 3-D 鐘的工作條件下的費米量子氣體來說，每一個單獨的晶格僅會被一個原子佔據，這樣就能防止發生在 1-D 原子鐘設計中由原子相互作用導致的頻移。

JILA 的研究人員使用超穩激光器實現了創紀錄的原子和激光器間的同步水平，即高達 5.2 萬億的質量因子數（質量因子是一種用於描述振蕩或波形能維持多長時間的量）。研究人員發現，原子間的碰撞減少使它們產生的相關頻移減少。

NIST 量子物理學系主任 Thomas O'Brian 葉軍表示：「這種新的量子氣體原子鐘在早期階段就在『新量子革命』的實際應用中取得了驚人的成就，這種新設計能將量子相關性應用到廣泛的測量和新技術中，這將對 NIST 和 JILA 的相關領域的研究起到巨大幫助。」

根據測量的目標和有關應用的需求，JILA 的研究人員可以優化原子鐘的相關參數，比如操作溫度（10 至 50 nanokelvins），原子數（10,000 至 100,000）和立方體的物理尺寸（20 至 60 微米）。

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