新的西西弗斯冷却技术可以提高原子钟的精度
美国国家标准与技术研究所 (NIST)、科罗拉多大学和宾夕法尼亚州立大学中性原子光钟小组的研究人员最近设计了一种新的亚反冲西西弗斯冷却技术，该技术有助于提高原子钟的精度。《物理评论快报》上发表的一篇论文概述了这项技术，该技术最初用于创建高性能镱光晶格钟，但它也可以帮助开发其他时钟和量子计量工具。
“精密光谱学是一个非常广泛的研究领域，有着悠久的历史，”论文合著者陈春嘉告诉 Phys.org。“原子物理学家对从原子、离子到分子等各种物体进行光谱研究。也许令人惊讶的是，反物质也进行了高精度光谱研究，这是欧洲核子研究中心目前正在探索的一个活跃的研究领域。”
在尝试提高原子钟的准确性和精确度时，陈和他的 NIST 同事偶然发现了一篇论文，其中概述了西西弗斯激光冷却氢和反氢的新方案。从这个方案中汲取灵感，他们着手设计一种类似的冷却方法，以提高原子钟的性能。
原子钟是一种计时装置，它以原子的振荡运动频率为参考。这些时钟的运行依赖于高精度光谱技术，该技术可以处理具有长寿命的原子状态以及这些状态之间的超窄跃迁线宽，通常为亚赫兹级别。
“传统上，我们使用这种超窄光谱特性来实现频率稳定，这是当前最先进的频率标准和光学原子钟的核心思想，”陈解释说。“然而，在执行高精度光谱之前，我们将超窄激发与另一种量子工程工具结合使用，以实现西西弗斯冷却。”
本质上，陈和他的同事们策略性地设计了他们激发时钟状态的能量转移，使其遵循周期性调制模式。这种方法使他们能够精确控制时钟线激发在西西弗斯冷却过程中发生的位置。
“更具体地说，我们配置激发条件，使其最好发生在与周期性势能景观底部相对应的位置，”陈说。“一旦被激发，原子就会通过攀升势能而失去动能，并优先离开势能最小值处的势能景观。冷却是在反复攀升能量势能后实现的。”
作为他们最近研究的一部分，研究人员利用镱基光晶格钟的超窄跃迁展示了他们的 Sisyphus 冷却方案。然而，同样的方法在理论上也适用于配备窄线宽跃迁的其他系统。
陈解释说：“在过去的二十年里，实现中性原子高精度时钟光谱的目标，最好的方法是通过为基态和激发时钟态的原子创造相同的捕获条件。”
“这是通过将激光形成的陷阱设计成驻波来实现的，该陷阱在我们所谓的魔法波长下运行。在这种情况下，两种原子状态下原子感受到的捕获电位差异本质上是实现高精度时钟光谱的敌人。”
因此，最近为推进时钟光谱学而做出的努力已经探索出最小化基态和激发态时钟之间的陷阱电位差的策略。为了应对这一挑战，陈和他的同事们在进行高精度时钟光谱学之前，专注于增强样品的冷却。
陈说：“为了在执行时钟光谱之前在样品准备过程中实现更好的冷却，我们暂时引入了一个工程化的空间依赖性激发态转变，这会为两个时钟状态引入更多而不是更少的陷阱电位差。”
“这样做使我们能够实现西西弗斯冷却机制，进而改善样品条件，从而实现更好的时钟光谱和更小的陷阱电位差。此外，较低的温度有助于我们在原子上使用更浅的陷阱，这也减少了这种差异。”
该研究团队发明的新型 Sisyphus 冷却技术很快就能帮助提高其他光学时钟系统的精度。此外，它还可用于冷却其他新兴技术的样品，包括量子信息处理和计算系统。在接下来的研究中，这些研究人员计划继续使用他们的 Sisyphus 冷却技术来提高 NIST 开发的光学晶格时钟的精度。
研究员 Andrew Ludlow 补充道：“额外的冷却使我们能够在魔法波长驻波激光阱内创建具有更均匀条件的原子集合。这反过来又使我们能够更仔细、更准确地表征捕获激光对时钟频率的微小影响。”
“此外，较低的温度使我们能够将原子置于更弱的激光陷阱中，其中不必要的捕获效应更小。经过我们目前正在进行的一些仔细的测量，所有这些都将转化为提高时钟精度。”
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