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国际前沿周报第12期

3356    2022-11-18    发布者:中国测试杂志社    来源:中国测试杂志社

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本期导读:

1、用频率梳开拓新领域,NIST的一项创新与节拍共舞

2、世界上第一个带有高电荷离子的光学原子钟


用频率梳开拓新领域,NIST的一项创新与节拍共舞

图片来源:J. Wang/NIST

对获得诺贝尔奖的频率梳技术进行改进,使其能够以比以前更高的灵敏度测量光脉冲到达时间——这会改进距离测量以及精确计时和大气传感等应用。

这项由美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的科学家所创造的创新,代表了一种使用频率梳技术的新方法,科学家们将其称为“时间可编程频率梳”。到目前为止,频率梳激光器需要产生具有节拍规律的光脉冲以实现其效果,但 NIST 团队已经表明,操纵脉冲的时间可以帮助频率梳在更广泛的条件下进行准确测量。

频率梳通常被描述为光的标尺,它是一种激光,其光由许多可以精确测量的、明确定义的频率组成。查看显示器上的激光光谱,每个频率都会像梳子的一个齿一样突出,该技术由此得名。在获得了2005年诺贝尔物理学奖后,NIST的Jan Hall频率梳已经成功应用于精密计时、寻找类地行星和温室气体探测等众多领域。


来源:NIST



世界上第一个带有高电荷离子的光学原子钟

光学原子钟是有史以来最精确的测量设备,并已成为基础和应用研究的关键技术。来自德国联邦物理技术QUEST 研究所 (PTB) 、海德堡马克斯普朗克核物理研究所 (MPIK)和不伦瑞克工业大学的研究人员在QuantumFrontiers卓越集群的范围内,首次实现了基于高电荷离子的光学原子钟计时。

高电荷离子钟的激光询问探测示意图(图片:PTB)

高电荷离子是宇宙中常见的物质形式,例如在太阳或其他恒星中常能发现它们。它们之所以如此命名,是因为它们失去了许多电子,因此具有很高的正电荷。这就是为什么最外层的电子与原子核的结合比中性或带弱电的原子更强。出于这个原因,高电荷离子对外部电磁场的干扰反应较弱,因此可以在狭义相对论、量子电动力学和原子核基本效应中作为更敏感的探针。

此前,该团队在多年的工作中主要解决一些基础问题,例如探测和冷却:对于原子钟,必须将粒子极度冷却,以尽可能地降低它们的活力,从而读出它们静止时的频率。然而,高电荷离子是通过产生极热的等离子体产生的。由于其极端的原子结构,高电荷离子不能直接用激光冷却,也不能使用标准检测方法。海德堡的MPIK研究所和 PTB 的QUEST研究所合作解决了这个问题,方法是从极热等离子体中分离出一个带高电荷的氩离子,并将其与一个带单电荷的铍离子一起存储在离子阱中。这使得高电荷离子被间接冷却并可以通过铍离子进行研究。接着MPIK建立了一个先进的低温采集系统,并在PTB完成了以下实验,有些实验部分由学生在机构之间轮换进行。随后,PTB开发的量子算法成功地进一步冷却了高电荷离子,即接近量子力学基态。这相当于绝对零度以上2亿开尔文的温度。这些结果已经发表在Nature(2020)和Physical Review X(2021)期刊上。

现在,研究人员已经成功迈出了下一步:他们已经实现了基于13倍带电氩离子的光学原子钟,并将其与PTB现有的镱离子原子钟进行了比较。为此,他们必须对系统进行非常详细的分析,以了解高电荷离子的运动和外部干扰场的影响。该光学原子钟的测量不确定度为2x10-17,这与许多目前运行的光学原子钟相当。“我们期望通过技术改进,进一步减少不确定度,这应该能使我们进入最好的原子钟范围,”研究小组负责人Piet Schmidt说。

因此,研究人员在现有的光学原子钟基础上创建了一个附加系统,例如,基于单个镱离子或中性锶原子。所使用的方法普遍适用,并可以研究许多不同的高电荷离子。其中包括可用于搜索粒子物理标准模型扩展的原子系统。其他高电荷离子对精细结构常数的变化和某些暗物质候选物特别敏感,这些候选物在是标准模型之外的模型中被所需要的,但不能用以前的方法无法检测到。


来源:PTB



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