从引力波探测中的压缩光到光原子钟

2020年度“墨子量子奖”授予量子精密测量领域,获奖科学家是Carlton Caves,香取秀俊和叶军.香取秀俊和叶军又获得2021年基础物理学突破奖.对于引力波探测中的量子噪声,Caves分析了海森堡不确定关系所带来的测量精度极限,并且提出用压缩光来克服这个极限.这个方法已经被探测引力波的激光干涉仪实际采用.原子钟基于原子中电子改变能量状态时,发射或吸收的电磁波,提供了最精确的时间和频率标准.与基于微波的原子钟相比.光原子钟,特别是光晶格上的大量原子,可以达到更好的精度.叶军的研究组将约1万个锶原子放在3维光晶格中,实现光原子钟,相对精度达到2.5×10^-19.香取秀俊的研究组搭建的两个可移动光原子钟,精度达到了5×10^-18,并用来测量了引力红移,达到地面测量的最好精度.     

新一代超高精度锶原子钟

 美国国家标准研究所研究人员认为,在新一代原子钟中将利用锶原子。众所周知,现代铯原子钟走时误差为每5000万年不超过1秒,铯原子钟工作建立在测量铯原子辐射频率基础上,测量精度受原子热运动和辐射波长的限制。锶原子辐射波长比铯原子辐射波长短2个数量级,而最近发现的特性能快速使锶气体冷却到接近绝对零度。     

我国锶原子光钟关键技术研究获进展

由中国计量科学研究院等单位共同承担的"高准确度原子光学频率标准仪的研制与开发"课题,顺利通过了国家质检总局组织的专家验收.该课题建立了锶原子塞曼减速器和激光冷却囚禁装置,研制了宽带钛宝石飞秒光梳和铒光纤光梳,完善了多个次级光学频率标准,掌握了锶原子光钟和光纤光梳研究     

光钟的发展和应用

 原子频标（原子频率标准的简称）是利用量子力学原理制成的高稳定度和高准确度的频率、时间信号产生系统（成为一个装置时又称为原子钟）。通俗地说，原子钟就像一个计时器一样，记录着时间的流逝。而今天所说的光钟，作为原子钟的一员，顾名思义，就是利用光学频率作参考的原子钟。     

冷原子光钟

<正>光钟是近二十年来发展的一类新型原子钟,它参考的是具有高品质因子的光频跃迁,分为原子光钟和离子光钟。冷原子光钟利用激光冷却后的中性原子,这类原子一般是碱土金属或者类碱土金属原子,有镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、镱(Yb)和汞(Hg)等,它们最外层都有两个电子,单重态(ns~2)~1S_0至三重态(n snp)~3P_0之间的跃迁具有非常窄的线宽,是理想的光学频率参考源。冷原子光钟凭借其极高的频率准     

锶热原子束二维准直的动力学过程的蒙特卡罗模拟及实验研究

在考虑随机因素的情况下, 应用蒙特卡罗方法在理论上详细研究了锶原子束二维激光准直的动力学过程. 综合考虑原子横向发散角、初始原子位置、纵向速度分布、同位素等因素, 获得了激光二维准直后的原子横向空间分布的模拟结果以及随准直光失谐、光功率等参量因素的变化. 通过与实验数据比较, 理论值和实验值很好相符, 显示蒙特卡罗方法可以精确地描述锶原子束二维准直的动力学过程. 为原子束激光二维准直的精确控制, 高精度原子钟系统的优化, 提供了一种理论分析方法. 关键词： 二维准直 蒙特卡罗方法 横向空间分布     

下一代计时标准——光子钟

日本研究人员近日展示的一种利用“光格”捕获中性原子的方法开启计时方法的新纪元．这种将锶原子捕获进一个光格制成的光子钟的精确度可达10^-18秒．比现在的锶-133原子钟的精确度10^-15秒要高三个量级．     

世界上最小的原子钟

世界上最小的原子钟只有稻谷颗粒那样大小，制作在装有铯原子的体积只有1mm^3的微型容器上．这种原子钟使用2．5V电池，只消耗约30mA的电流．原子钟是最好的计时器，它可以将碱金属原子发射的光中所包含的高精度时间信息进行转换，用作定义秒的标准．因为原子由一个能级到另一个能级跃迁时所发出的光的频率可以被测量到10亿分之一的精度．     

锶原子二级Doppler冷却及温度的测量

为了减小锶原子跃迁谱线的多普勒增宽及频移,需要对锶原子进行激光冷却以降低它的速度,而一级冷却只能将原子温度降低至mK量级,这样的原子其速度过大而无法有效地装载至光晶格中,因此必须进行二级冷却.锶原子存在单重态与三重态(5s2)1S0-(5s5p)3P1间互组跃迁,利用与其跃迁波长在689 nm的窄线宽激光对锶原子进一步冷却,可将锶原子团温度降低至μK量级.利用时序有效、准确地控制磁场和光场与原子相互作用时间,通过飞行时间法对锶冷原子温度进行了测算.实验中应用计算机精确控制磁光阱区域中冷原子团下落时间,EMCCD记录冷原子团初始时刻和下落20 ms后的状态.经过分析计算二级冷却温度为4.39 μK,不确定度仅为0.19 μK,二级冷原子团数目约为1.2×10 7.低温二级冷却锶原子温度及原子数目的获得为锶光钟跃迁信号的信噪比估计提供实验参考,也是实现高精度时间频率标准的前提.     

光钟的发展和应用

正原子频标(原子频率标准的简称)是利用量子力学原理制成的高稳定度和高准确度的频率、时间信号产生系统(成为一个装置时又称为原子钟)。通俗地说,原子钟就像一个计时器一样,记录着时间的流逝。而今天所说的光钟,作为原子钟的一员,顾名思义,就是利用光学频率作参考的原子钟。古语云:一日不见,如隔三秋;当描述人很紧张或难过,常用"度日如年"来形容;当我们很兴     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷镱原子精密光谱的研究进展

文章简要介绍了冷原子精密光谱研究方面的重要进展,报道了作者所在课题组近年来在镱原子的激光冷却与囚禁、光晶格中冷镱原子的量子操控、冷镱原子钟跃迁谱的精密测量、冷镱原子光钟的闭环锁定和频率稳定性测量等方面所取得的最新研究结果,最后对光学原子钟的发展进行了展望。     

锶原子互组跃迁荧光谱及其特性的研究

真空锁频系统是实现激光稳频的重要组成部分,在该系统中产生高分辨互组跃迁荧光谱((5s~2)~1S_0→(5s5p)~3P_1)是分析原子谱线相关特性及精确测量跃迁频率等参数的前提。本文通过将装载有毛细管的准直器置于锶炉内,从源头减小原子束的发散角,将原子束的发散角减小至3.1 mrad。即减小原子束的横向速度,进而减弱光与原子作用的一阶多普勒频移,实验最终得到分辨率较高且线宽为26 MHz的互组跃迁荧光谱。锶原子互组跃迁荧光谱特性的相关研究对于光晶格原子钟锁频系统的建立具有重要意义,因此本文从实验上探讨并分析了锶炉温度和激光光强等因素对互组跃迁荧光谱的影响。     

锶原子光晶格钟

进入21世纪以来,锶原子光晶格钟经历了快速的发展,系统频移的不确定度指标已经超越现有的秒定义基准铯原子喷泉钟,进入到10~(-18)量级,体现了人类精密测量能力的最高水平,是精密测量物理的热点研究内容.本综述简要介绍了锶原子光晶格钟的发展水平;详细介绍了锶原子光晶格钟的各个组成部分和关键技术、如何进行精密光谱探测和闭环锁定以及各项系统频移的不确定度评估方法和锶原子跃迁绝对频率测量的方法等;最后简要介绍了锶光钟的应用和未来发展趋势.     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

原子钟与相关物理学的研究

文章介绍了半个多世纪以来北京大学在原子钟与相关物理学研究方面的简况,其中包括光抽运碱金属汽室型、原子束型、激光抽运频率标准以及冷原子物理的研究.文章阐明了原子钟的基本工作原理、主要性能及其与各种物理因素的关系,叙述了提高汽室频标光抽运效率与降低各种频移和减少谱线增宽因素影响的方法.此外,还介绍了原子束频标中的Majorana跃迁研究、光抽运铯钟中解决长期工作与长期频率稳定度难题以及冷原子钟的一些设想等研究成果.     

日本开发出超高精度光晶格钟

日本东京大学近日宣布,其研究小组与日本理化学研究所合作,开发出精确度极高的光晶格钟,160亿年才产生1 s误差。这是在实验中确认的迄今世界最高精确度。光晶格钟是一种原子钟,世界各国都在大力进行研究。所谓原子钟就是以原子中电子的振动为振子的时钟,如果振动的频率在光波段,时钟就称为光钟,光晶格钟是光钟的一种。现在,秒的定义是根据铯原     

将脉冲序列控制在阿秒精度

飞秒激光器频率梳促成了度量衡领域的许多进步,例如从光原子钟到对太阳系外行星的研究。麻省理工学院的研究人员已确定这些光学脉冲序列可精确到阿秒（as）级。     

点阵阱对光学钟的改进

在时间标准的测定上，最经常使用的是铯-133原子钟，它的测量精度可达到飞秒量级（10^-15s），科学界曾经想使用光学钟来代替原子钟，但遇到的困难是由于光学钟的稳定性问题不易解决，现在日本东京大学与日本度量衡研究所的科学家们的工作改变了这一情况，他们将100，000个冷冻到温度为2μK的锶原子云俘获在一维的光学点阵内，从而可以产生了一个稳定性能很好的光学钟，其振荡频率为429THz．点阵阱是由波长为813．4nm的光与镜面反射光形成的驻波所组成。