39,6 Milliarden Jahre Fehler von weniger als einer Sekunde: Die genaueste Atomuhr der Welt stellt einen neuen Rekord auf
2024-08-19
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Wie lang ist 1 Sekunde? Wie soll die Präzision einer Sekunde wissenschaftlich definiert werden? Am 22. September 2023 hatte der Mozi Salon die Ehre, Jun Ye, Professor am Fachbereich Physik der University of Colorado und Gewinner des „Mozi Quantum Prize“, einzuladen, eine Rede mit dem Titel „Der Vortrag stellte auf leicht verständliche Weise den Forschungshintergrund von Atomuhren vor und erläuterte die Bemühungen des Forschungsteams, die Genauigkeit der Zeitmessung kontinuierlich zu verbessern.Kann nun die Obergrenze der Genauigkeit von Atomuhren verbessert werden? Die neueste Errungenschaft von Ye Juns Team brach erneut den Rekord der Genauigkeit von Atomuhren, erzielte einen Sprung in der Genauigkeit der Zeitmessung und setzte einen neuen Maßstab für die nächste Generation von Atomuhren. Am 24. Januar haben wir erfolgreich das optische Uhrensystem mit den besten inländischen Indikatoren entwickelt (Das Team für optische Uhren von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas wurde von der Physik eingeladen, dieses Ergebnis vorzustellen.
Das Aufkommen von Atomuhren in den 1950er Jahren markierte einen großen Durchbruch in unserer Fähigkeit, Zeit mit höchster Präzision zu messen.Nach 70 Jahren Entwicklungszeit ist es derzeit das genaueste Zeitmessgerät. Hätte es zu Beginn des Urknalls mit der Zeitmessung begonnen, hätte sein Fehler heute nicht mehr als eine Sekunde betragen.Diese präzisen Atomuhren finden breite Anwendung in der Grundlagenphysik, Metrologie, Navigation und anderen Bereichen. Weitere Verbesserungen könnten zu einer Reihe neuer Anwendungen und neuen Tests der Grundlagenphysik führen.Das Erreichen weiterer Verbesserungen steht jedoch vor vielen Herausforderungen, darunter vor allem Umgebungsgeräusche wie Magnetfeldschwankungen und Temperaturänderungen sowie die komplexen Wechselwirkungen der Atome, die den Betrieb der Uhr steuern, aber schwer zu kontrollieren sind. Um diese Herausforderungen anzugehen, haben Forscher des American Joint Astrophysics Laboratory (JILA) und ein Forscherteam der University of Colorado Boulder haben den Rekord für die Genauigkeit der Atomuhr gebrochen.▲ Abbildung 1:Strontiumatome sind drin1S0Und3P0Übergänge zwischen Zuständen dienen als Referenzen für optische Gitteruhren. Wenn ein optisches Signal mit einem Übergang in Resonanz steht, kann seine Frequenz sehr genau definiert werden.
Das Forschungsteam verwendete eine optische Gitteruhr (OLC), die auf neutralen Strontiumatomen basiert, um die Häufigkeit von Strontiumatomübergängen zu messen, und ihre Systemunsicherheit erreichte 8,1×10-19, mehr als das Doppelte des bisherigen Rekords (die Vorarbeit des Teams). Dieser Erfolg markiert einen Sprung in der Genauigkeit der Zeitmessung und setzt einen neuen Maßstab für die nächste Generation von Atomuhren.Die frühesten Atomuhren nutzten die Frequenz von Mikrowellensignalen als „Pendel“, um die Zeit zu messen. Heutzutage basieren die besten Zeitmesstechniken auf dem Licht, das von bestimmten Atomübergängen, sogenannten Uhrenübergängen, emittiert wird. Die hohe Frequenz (typischerweise einige Hundert Terahertz) und die schmalen Linienbreiten (typischerweise 1–100 Millihertz) dieser Übergänge bedeuten, dass optische Atomuhren die Zeit genauer messen können als mikrowellenbasierte Atomuhren, die mit niedrigeren Frequenzen takten. Dank der unermüdlichen Bemühungen der Forscher in den letzten Jahrzehnten sind optische Uhren heute um mehr als zwei Größenordnungen besser als Mikrowellenuhren. Eine weitere Verbesserung der Leistung bedeutet, die Größe systematischer Fehler zu verringern.Um dieses Ziel zu erreichen, haben die Teams von JILA und der University of Colorado Boulder die Koeffizienten bestimmter atomarer Parameter neu bewertet, die für den Betrieb optischer Atomuhren entscheidend sind. Insbesondere untersuchten die Forscher den Uhrenübergang mit der geringsten magnetischen Empfindlichkeit unter den Strontiumatomen (3P0Und1S0Übergänge zwischen Zuständen) wurden genau kalibriert (siehe Abbildung 1) und die Zeeman-Koeffizienten zweiter Ordnung wurden bestimmt.Der Zeeman-Koeffizient beschreibt die Wirkung eines Magnetfelds auf das Energieniveau eines Elektrons und damit die Frequenzänderung des emittierten Lichts während des damit verbundenen Übergangs. Typischerweise werden magnetisch unempfindliche Taktübergänge gewählt, um die vorherrschende Zeeman-Frequenzverschiebung erster Ordnung zu minimieren, wodurch die Empfindlichkeit der Uhr gegenüber Schwankungen im Umgebungsmagnetfeld verringert wird. Aber es gibt immer noch schwächere Effekte zweiter Ordnung. Die Kalibrierung dieses Koeffizienten durch das Team reduzierte die durch die Zeeman-Frequenzverschiebung zweiter Ordnung verursachte Unsicherheit auf 1×10-19, doppelt so viel wie bei der vorherigen Kalibrierung.▲ Abbildung 2:Im September 2023, auf der 2023 International Conference on Emerging Quantum Technologies in Hefei, hielt Jun Ye als Gewinner des „Mozi Quantum Prize“ einen wunderbaren Preisbericht vor Ort.
Die Forscher befassten sich auch mit einem zweiten Faktor, der die Unsicherheit der Uhr beeinflusst: dynamische Korrekturen der Schwarzkörperstrahlung. Schwarzkörperstrahlung kann durch ihre elektrischen Felder die Energieniveaus von Atomen beeinflussen, eine unvermeidliche Folge des Betriebs von Uhren in einer Umgebung mit Raumtemperatur. Die dynamische Komponente dieses Effekts bezieht sich auf die unterschiedliche Frequenzverschiebung zwischen atomaren Energieniveaus. Bei früheren Generationen optischer Strontium-Gitteruhren war die Genauigkeit besonders eingeschränkt3P0Unsicherheit bei der Verschiebung des Energieniveaus (des höheren der beiden Zustände, die den Taktübergang definieren). Die Größe dieser Frequenzverschiebung hängt mit einem Übergang innerhalb des Energiespektrums der Schwarzkörperstrahlung zusammen – das heißt3P0und höhere Energieniveaus3D1Der Übergang zwischen3D1bestimmt durch die Lebensdauer des Staates. Durch diese Messungen konnte das Team die Unsicherheit der Schwarzkörperstrahlungsverschiebung von zuvor 1,5 × 10 verbessern-18Reduziert auf 7,3×10-19. Durch die Kombination der Verringerung der Frequenzverschiebungsunsicherheit der Schwarzkörperstrahlung mit anderen Umweltkontrollen wie der Stabilisierung der Temperatur stellten die Forscher fest, dass alle Systemeffekte weniger als 1 × 10 zur Gesamtunsicherheit der Energieniveaus des Taktübergangs beitragen-18。Um die Atome in der optischen Gitteruhr zu steuern und zu messen, verwendeten die Forscher außerdem ein optisches Gitter mit einer „magischen Wellenlänge“. In einer optischen Gitterfalle können die Energieniveaus von Atomen aufgrund des Einflusses des elektrischen Feldes des Laserstrahls driften. In einem Potentialtopf, der bei magischen Wellenlängen manipuliert wird, ist der Potentialtopf jedoch derselbe, unabhängig vom elektronischen Zustand der Atome. Dies bedeutet, dass die durch den Laserstrahl zwischen Taktübergangszuständen hervorgerufenen relativen Frequenzverschiebungen des Energieniveaus minimiert werden, was dazu beiträgt, die Linienbreite des Übergangs so schmal wie möglich zu machen. Die Forscher integrierten auch ein Kühlverfahren, das es ihnen ermöglichte, ein flaches Gitter zu verwenden, um die Atome einzuschließen. Wenn Atome enger eingeschlossen sind, ist die durch den Laserstrahl verursachte Frequenzverschiebung der Energieniveaus größer, sodass das flache Potential diese Frequenzverschiebung minimiert.Diese Methoden ermöglichen es ihrem Gerät, die Genauigkeit aller bisherigen Lichtgitteruhren zu übertreffen und die Zeit mit einem Fehler von weniger als einer Sekunde in 39,6 Milliarden Jahren zu messen. Die Auswirkungen dieser Verbesserung sind weitreichend. In Kombination mit den Fortschritten des Colorado-Teams könnte beispielsweise eine neue Instrumentengeneration einen neuen Maßstab für die Definition einer Sekunde setzen. Zukünftige Bemühungen könnten sich auf die Verbesserung dieser Techniken konzentrieren, um Unsicherheiten beispielsweise durch den kryogenen Betrieb weiter zu reduzieren. Mit dieser hochpräzisen Messtechnik können grundlegende Fragen der Physik untersucht werden, beispielsweise die Möglichkeit, die Quantennatur der Schwerkraft und die Natur der Dunklen Materie durch Gravitationswellenbeobachtungen aufzudecken.
Mozi ist ein berühmter Denker und Wissenschaftler im alten Land. Seine Gedanken und Leistungen verkörpern die aufkeimende Wissenschaft in der Frühzeit meines Landes. Die Gründung des Mozi Salon zielt darauf ab, die wissenschaftliche Tradition zu bewahren und weiterzuführen, den wissenschaftlichen Geist zu fördern und weiterzuentwickeln, die wissenschaftliche Kompetenz der Bürger zu verbessern und eine soziale Atmosphäre zu schaffen, die die Wissenschaft befürwortet.
Der Mozi Salon richtet sich an die breite Öffentlichkeit, die die Wissenschaft liebt, einen Entdeckergeist hat und neugierig ist. Durch persönliche Aktivitäten und vielfältige neue Medienplattformen hoffen wir, dass jeder den modernsten wissenschaftlichen Fortschritt der Welt verstehen kann fortschrittlichste wissenschaftliche Ideen, erforschen Sie das Geheimnis der Wissenschaft und spüren Sie die Schönheit der Wissenschaft.
Der Mozi Salon wird vom Shanghai Research Institute der University of Science and Technology of China und dem Nanqi Quantum Science and Technology Exchange Center in Pudong New Area veranstaltet. Er wird von der New Alumni Foundation der University of Science and Technology of China unterstützt. die Education Foundation der University of Science and Technology of China, die Pudong New Area Science and Technology Association, die China Association for Science and Technology und unterstützt vom Pudong New Area Science and Technology and Economic Committee.
