研究者用光譜成像方法降低鍶原子光晶格鐘的頻率偏移，獲得原子鐘精度的新紀錄。

當今最精確的原子鐘是基於鍶、鐿和其他鹼土(或類似於鹼土)原子。這些元素具有超窄的躍遷光頻率，從而爲時間測量提供了穩定、精確的頻率標準。相比於目前用來定義秒的銫原子鐘，鹼土元素的頻率標準比它精確近千倍。在美國科羅拉多州，天體物理學聯合實驗研究所(JILA)的 Jun Ye 小組在原子光鍾領域達成新的紀錄。他們展示了相對精度達到 2.5×10-19的鍶原子鐘——這相當於在宇宙壽命的時間尺度上，不精確度僅僅是100 ms。

讓我們先來回顧一下頻率標準的基礎。首先，我們需要一個頻率高但線寬窄的原子躍遷，這使我們可以精確地鎖定頻率。其次，這個躍遷的時間要足夠長，從而可以平均多次測量來獲得高精度。第三，需要一個超穩定的振盪器(激光或微波源)用來激發原子。一個額外的考慮是同時探測 N 個原子，將量子投 影 噪 聲 (QPN) 降 低 至 原 來 的(1/N)1/2——這是光鍾精度的極限。

基於這些要求，一些研究組開發了基於鍶的極窄光躍遷的原子鐘。這個躍遷頻率約爲 429 THz，線寬在 1 Hz以下。並且通過測量約束在光晶格中的數百萬個原子，可提升量子投影噪聲極限。Ye和同事們將約10000個鍶原子冷卻至15 nK，並將其約束於光晶格中。然後他們用超穩定激光激發這個 429 THz 的躍遷，並觀察其光譜。

Ye和同事們開發的原子光鍾由置於三維光晶格中的約 10000 個鍶原子組成。鍶的躍遷頻率在晶格各處有所不同(圖中用錶盤代表)，這就降低了整體頻率測量的精度。Ye研究組通過對其進行空間分辨來修正這種偏移。同時，鍶原子間的相互作用也會影響測量。他們將原子冷卻至量子簡併態，使每個光晶格只由一個原子佔據，從而消除了這一影響

要達到更高的精度和穩定性，他們要克服系統的和統計上的不確定性。寬泛的說，這種不確定性可以分爲“單粒子”或“多粒子”。單粒子的效應可以來自於激發激光的頻率噪聲，或局域電磁場能量背景隨位置而發生改變。這種空間不均勻性導致不同區域晶格的躍遷頻率存在些許差異，從而降低了整體測量時的精度。而多粒子的效應則來源於原子間的相互作用，它會導致濃度依賴的頻移。這就導致了一個棘手的問題：向光晶格中增加原子可獲得更高的精度，但同時也加劇了原子間相互作用，改變了鐘的躍遷頻率。

Ye的小組通過將鍶原子冷卻至1 μK之下解決了這一多體系統的矛盾。他們於2017年展示了冷卻的原子可以自組織爲一個絕緣相的量子簡併氣體。在這個相中，光晶格的每個位置精確地被單一的原子佔據，因此原子間的相互作用受到極大地抑制，由此而形成的量子相可以獲得更高精度的單粒子測量結果。

排除掉原子的相互作用，系統的誤差就主要來自於單原子。如上所述，不同晶格處的原子感受到的能量背景略有差異，於是顯示出不同的躍遷頻率。Ye等人結合了超精密光譜和高空間分辨成像測量了不同晶格位置的鐘頻率(見圖)。這讓研究人員可以分析不均勻性的來源並加以消除。尤其是他們可以消除晶格激光在空間上的微小偏離，它會造成鍾頻隨位置發生變化(這種影響在先前的實驗中可能被忽視了)。此外，晶格激光需穩定在特定的“魔術波長”，否則會干擾原子的頻率。他們通過光譜成像技術可以對準這個波長，從而消除影響。最後，可以利用這個光譜成像技術校準激光的頻率噪聲。

這種新技術毫無疑問會促使原子光鐘的精度和穩定度進一步提升。儘管Ye展示的圖像目前仍然不能做到單一位點的分辨，但是隨着成像系統的進展，這個目標可以實現。利用單位點分辨，新的原子鐘就可以成爲超敏感探測方法，來研究長程相互作用以及奇異量子相中的量子關聯。

(北京大學 王樹峯 編譯自 Mukund Vengalattore. Physics，March 5，2018 )

本文選自《物理》2018年第4期

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