新纪录！华人科学家造出迄今最精准原子钟

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近日，美国实验室天体物理联合研究所（JILA）的物理学家设计了一种新的原子钟。其中，锶原子被装入了一个微小的的三维（3-D）立方体中，其密度较以前一维（1-D）原子钟设计中锶原子的密度高出近 1000 倍。

在近代，原子钟一直在更新测量科学的极限，这指的不仅是在计时和导航方面，还在其他测量单位以及有关研究领域的定义上，比如在寻找宇宙中缺少的“暗物质”工作。

而在这次的研究中，科学家会首先用一种被称为“量子气体”的超控行为来制造测量设备。

由于有很多原子处于完全固定在原位（不能动）的状态，JILA 的 3D 量子气体原子钟增添了一个名为“品质因子（quality factor）”的值，并以此获得其测量精度。较大的质量因子值会转化为原子和用于探测它们的激光间的高频同步，使时钟在相当长的一段时间内“走”的十分稳定，并以此实现更高的测量精度。

目前，在已有的高级原子钟设计中，数千个“滴答走时”的原子中每一个原子都具有很大的独立性。而 JILA 的新型立方量子气体原子钟则使用了相互作用的原子集合来约束碰撞并改善测量。该设计被认为能极大改善目前多个基于可控量子系统的领域内的研究和测量情况。

图丨叶军

美国国家标准技术研究所（NIST，National Institute of Standards and Technology）的物理学家叶军说：“我们正在进入一个令人激动的时代，科技让我们能为一个测量目的在量子层面上改造物质的状态。”他也是此次研究成果的主要贡献者之一。

原子钟的核心部件是一种称为退化费米气体（费米子粒子的量子气体）的特殊物质态，该概念由叶军后来的的同事 Deborah Jin 在 1999 年时首次提出。此前的原子钟在设计中都使用的是热气体（thermal gases），而使用量子气体则能使原子钟内所有原子的性质被量化或被限制于特定的值。

叶军说：“3-D 量子气体原子钟最重要的一个潜力是它能扩大涉及的原子数量，这将极大的提升原子钟稳定性。此外，我们还能达到在相干时间下运行原子钟的理想条件，这与那些‘滴答走时’ 的原子能保持多长的稳定时间有关。总的来说，扩大原子数和相干时间的能力将使新一代原子钟较上一代发生质的改变。”

截止目前，原子钟已经能将每个原子视为一个单独的量子粒子。虽然原子之间的相互作用则引出了测量问题，但一个“量子多体系统”的控制集合会将所有原子排列在特定的模式或相关性上，并使系统产生出具有最低的总能量状态。之后，不管添加多少原子到系统中，原子都会减少彼此之间发生的相互作用。其中，原子的气体自身会变成绝缘子，并阻止有关相互作用的发生。

该新型原子钟的设计能够在性能上超越此前所有的原子钟设计。例如，稳定性可以被想成是每个原子“滴答”的持续时间与它其他“滴答”的持续时间的吻合程度，与原子钟的测量精度直接相关。与叶军之前的 1-D 原子钟相比，新的 3-D 量子气体原子钟能以快 20 倍的速度达到同一精度水平（因为原子数量大，相干时间更长）。

此前，JILA 的老式 1-D 钟曾是世界上最精确的原子钟。该时钟将锶原子保持在由称为光学晶格的激光束构成的扁平状陷阱的线性阵列中。而新的 3-D 量子气体原子钟则使用附加的激光器沿着三个轴捕获原子，使原子保持在立方排列 (cubic arrangement) 中。其中，10,000 个锶原子以每立方厘米 10 万亿原子的密度被捕获，并使原子钟可以保持稳定计时长达 10 秒。在未来，该原子钟或许能够一次捕获数百万个原子，稳定计时超过 100 秒。

光学晶体钟虽然在一维的设计中表现很好，却面临一个“得失性”问题。它能通过增加原子数来改善钟的稳定性，但是较高的原子密度会导致原子间发生更多的碰撞，使原子“滴答走时”的频率发生变化并降低钟的精度。同时，相干时间也会受到原子间碰撞的限制。这里便是多体系统相关性可以起到作用的地方。

3-D 晶格设计——好比一个大的鸡蛋盒，会通过将原子保持在原位来消除这种“得失”问题。所用的原子是费米子，即一种不能同时处于相同量子态和位置的粒子。对于在这种 3-D 钟的工作条件下的费米量子气体来说，每一个单独的晶格仅会被一个原子占据，这样就能防止发生在 1-D 原子钟设计中由原子相互作用导致的频移。

JILA 的研究人员使用超稳激光器实现了创纪录的原子和激光器间的同步水平，即高达 5.2 万亿的质量因子数（质量因子是一种用于描述振荡或波形能维持多长时间的量）。研究人员发现，原子间的碰撞减少使它们产生的相关频移减少。

NIST 量子物理学系主任 Thomas O'Brian 叶军表示：“这种新的量子气体原子钟在早期阶段就在‘新量子革命’的实际应用中取得了惊人的成就，这种新设计能将量子相关性应用到广泛的测量和新技术中，这将对 NIST 和 JILA 的相关领域的研究起到巨大帮助。”

根据测量的目标和有关应用的需求，JILA 的研究人员可以优化原子钟的相关参数，比如操作温度（10 至 50 nanokelvins），原子数（10,000 至 100,000）和立方体的物理尺寸（20 至 60 微米）。

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编辑：Peter    校审：黄珊

参考：

http://www.chemeurope.com/en/news/165173/3-d-quantum-gas-atomic-clock-offers-new-dimensions-in-measurement.html