39,6 miljardin vuoden alle sekunnin virhe: maailman tarkin atomikello teki uuden ennätyksen
2024-08-19
한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina
Kuinka pitkä on 1 sekunti? Miten sekunnin tarkkuus pitäisi määritellä tieteellisesti? 22. syyskuuta 2023 Mozi Salonilla oli kunnia kutsua Jun Ye, Coloradon yliopiston fysiikan laitoksen professori ja "Mozi Quantum -palkinnon" voittaja, pitämään puheenPuheessa esiteltiin helposti ymmärrettävällä tavalla atomikellojen tutkimustaustaa ja tutkimusryhmän pyrkimyksiä ajan mittaustarkkuuden jatkuvaan parantamiseen.Voiko atomikellojen tarkkuuden ylärajaa nyt parantaa? Ye Junin tiimin viimeisin saavutus rikkoi jälleen atomikellojen tarkkuuden ennätyksen, saavutti harppauksen ajan mittaustarkkuudessa ja asetti uuden vertailukohdan seuraavan sukupolven atomikelloille. 24. tammikuuta kehitimme onnistuneesti optisen kellojärjestelmän parhailla kotimaisilla indikaattoreilla (Physics kutsui ) optisen kellon tiimin Kiinan tiede- ja teknologiayliopistosta esittelemään tämän tuloksen.
Atomikellojen ilmestyminen 1950-luvulla merkitsi suurta läpimurtoa kyvyssämme mitata aikaa erittäin tarkasti.70 vuoden kehitystyön jälkeen se on tällä hetkellä tarkin ajoituslaite. Jos se olisi aloittanut ajoituksen alkuräjähdyksen alussa, sen virhe ei olisi nyt ylittänyt yhtä sekuntia.Näillä tarkoilla atomikelloilla on laajat sovellukset perusfysiikassa, metrologiassa, navigoinnissa ja muilla aloilla. Lisäparannukset voivat johtaa useisiin uusiin sovelluksiin ja uusiin perusfysiikan testeihin.Lisäparannuksiin liittyy kuitenkin monia haasteita, joista tärkeimmät ovat ympäristömelut, kuten magneettikentän vaihtelut ja lämpötilan muutokset, sekä atomien monimutkaiset vuorovaikutukset, jotka ohjaavat kellon toimintaa, mutta joita on vaikea hallita. Vastatakseen näihin haasteisiin tutkijat American Joint Astrophysics Laboratorysta (JILA) ja Colorado Boulderin yliopiston tutkijaryhmä ovat rikkoneet atomikellon tarkkuuden ennätyksen.▲ Kuva 1:Strontiumatomit ovat sisällä1S0ja3P0Tilojen väliset siirtymät toimivat referenssinä optisille hilakelloille. Kun optinen signaali resonoi siirtymän kanssa, sen taajuus voidaan määrittää erittäin tarkasti.
Tutkimusryhmä käytti neutraaleihin strontiumatomeihin perustuvaa optista hilakelloa (OLC) strontiumatomisiirtymien taajuuden mittaamiseen, ja sen järjestelmän epävarmuus saavutti 8,1 × 10.-19, yli kaksinkertainen edelliseen ennätykseen verrattuna (joukkueen esityö). Tämä saavutus merkitsee harppausta ajan mittaustarkkuudessa ja asettaa uuden mittapuun seuraavan sukupolven atomikelloille.Varhaisimmat atomikellot käyttivät mikroaaltosignaalien taajuutta "heilurinaan" ajan pitämiseksi. Nykyään parhaat ajanmittaustekniikat perustuvat tiettyjen atomisiirtymien eli kellosiirtymien lähettämään valoon. Näiden siirtymien korkea taajuus (tyypillisesti muutama sata terahertsiä) ja kapeat viivanleveydet (tyypillisesti 1-100 millihertsiä) tarkoittavat, että optiset atomikellot voivat mitata aikaa tarkemmin kuin mikroaaltopohjaiset atomikellot, jotka kellovat alhaisemmilla taajuuksilla. Tutkijoiden viime vuosikymmenien väsymättömien ponnistelujen ansiosta optiset kellot toimivat nyt yli kaksi suuruusluokkaa paremmin kuin mikroaaltouunit. Sen suorituskyvyn parantaminen edelleen tarkoittaa systemaattisten virheiden koon pienentämistä.Tämän tavoitteen saavuttamiseksi JILA ja University of Colorado Boulder -tiimit arvioivat uudelleen tiettyjen optisten atomikellojen toiminnan kannalta kriittisten atomiparametrien kertoimet. Erityisesti tutkijat tutkivat kellonsiirtoa, jolla on alhaisin magneettinen herkkyys strontiumatomien joukossa (3P0ja1S0tilojen väliset siirtymät) kalibroitiin tarkasti (katso kuva 1), ja toisen kertaluvun Zeeman-kertoimet määritettiin.Zeeman-kerroin kuvaa magneettikentän vaikutusta elektronin energiatasoon ja siten säteilevän valon taajuuden muutosta siihen liittyvän siirtymän aikana. Tyypillisesti magneettisesti epäherkät kellosiirtymät valitaan minimoimaan hallitseva ensimmäisen asteen Zeeman-taajuusmuutos, mikä vähentää kellon herkkyyttä ympäröivän magneettikentän vaihteluille. Mutta heikompia toisen asteen vaikutuksia on edelleen olemassa. Ryhmän suorittama tämän kertoimen kalibrointi vähensi toisen asteen Zeeman-taajuussiirtymän aiheuttaman epävarmuuden arvoon 1 × 10-19, kaksi kertaa niin paljon kuin edellinen kalibrointi.▲ Kuva 2:Syyskuussa 2023 Hefeissä järjestetyssä kansainvälisessä konferenssissa 2023 Emerging Quantum Technologies, Jun Ye "Mozi Quantum -palkinnon" voittajana antoi upean paikan päällä olevan palkintoraportin.
Tutkijat käsittelivät myös toista kellon epävarmuuteen vaikuttavaa tekijää: dynaamisia mustan kappaleen säteilykorjauksia. Mustan kappaleen säteily voi vaikuttaa atomien energiatasoihin niiden sähkökenttien kautta, mikä on väistämätön seuraus kellojen toimimisesta huoneenlämpöisessä ympäristössä. Tämän vaikutuksen dynaaminen komponentti viittaa atomienergiatasojen väliseen differentiaaliseen taajuussiirtoon. Aiempien strontium-optisten hilakellojen sukupolvien tarkkuutta rajoitti erityisesti3P0Epävarmuus energiatason siirtymisessä (suurempi kahdesta kellon siirtymän määrittävästä tilasta). Tämän taajuusmuutoksen koko liittyy siirtymiseen mustan kappaleen säteilyenergiaspektrin sisällä - toisin sanoen3P0ja korkeammat energiatasot3D1Siirtymä välillä3D1määräytyy valtion elinkaaren mukaan. Tekemällä nämä mittaukset, tiimi paransi mustan kappaleen säteilysiirtymän epävarmuutta aiemmasta 1,5 × 10:stä-18Alennettu 7,3 × 10:een-19. Yhdistämällä mustan kappaleen säteilyn taajuussiirtymän epävarmuuden pienenemisen muihin ympäristön säätöihin, kuten lämpötilan stabilointiin, tutkijat päättivät, että kaikki järjestelmävaikutukset vaikuttavat vähemmän kuin 1 × 10 kellonsiirtoenergiatasojen kokonaisepävarmuuteen.-18。Optisen hilakellon atomien ohjaamiseen ja mittaamiseen tutkijat käyttivät myös optista hilaa, jolla oli "maaginen aallonpituus". Optisessa hilaloukussa atomien energiatasot voivat ajautua lasersäteen sähkökentän vaikutuksesta. Maagisilla aallonpituuksilla manipuloidussa potentiaalikaivossa potentiaalikaivo on kuitenkin sama riippumatta atomien elektronitilasta. Tämä tarkoittaa, että lasersäteen indusoimat suhteelliset energiatason taajuussiirtymät kellon siirtymätilojen välillä minimoidaan, mikä auttaa tekemään siirtymän viivanleveydestä mahdollisimman kapeaa. Tutkijat sisällyttivät myös jäähdytysmenetelmän, jonka avulla he pystyivät käyttämään matalaa hilaa atomien rajoittamiseen. Kun atomit ovat tiukemmin rajattuja, lasersäteen aiheuttama energiatasojen taajuusmuutos on suurempi, joten matala potentiaali minimoi tämän taajuussiirtymän.Näiden menetelmien avulla niiden laite voi ylittää kaikkien aikaisempien valohilakellojen tarkkuuden mittaamalla aikaa alle sekunnin virheellä 39,6 miljardissa vuodessa. Tämän parannuksen vaikutukset ovat kauaskantoisia. Esimerkiksi yhdessä Colorado-tiimin edistymisen kanssa uuden sukupolven instrumentit voisivat asettaa uuden mittapuun sekunnin määrittelylle. Tulevaisuudessa voidaan keskittyä näiden tekniikoiden parantamiseen epävarmuuksien vähentämiseksi entisestään esimerkiksi kryogeenisen toiminnan avulla. Tällä erittäin tarkkalla mittaustekniikalla voidaan tutkia fysiikan eturintamassa olevia peruskysymyksiä, kuten mahdollisuutta paljastaa painovoiman kvanttiluonne ja pimeän aineen luonne gravitaatioaaltohavaintojen avulla.
Mozi on kuuluisa ajattelija ja tiedemies muinaisessa maassani. Hänen ajatuksensa ja saavutuksensa ovat kotimaani varhaisen tieteen ruumiillistuma. Mozi Salonin perustamisen tavoitteena on periä ja viedä eteenpäin tieteellistä perinnettä, ajaa ja viedä eteenpäin tieteellistä henkeä, lisätä kansalaisten tieteellistä lukutaitoa ja rakentaa tiedettä kannattavaa sosiaalista ilmapiiriä.
Mozi Salon on suunnattu suurelle yleisölle, joka rakastaa tiedettä, omaa tutkimisen ja uteliaisuuden. Kasvokkain tapahtuvan julkisen toiminnan ja monipuolisten uusien media-alustojen avulla toivomme, että jokainen voi ymmärtää maailman huippuluokan tieteellistä edistystä. edistyneimmät tieteelliset ideat ja tutkia tieteen salaisuutta ja tuntea tieteen kauneus.
Mozi Salonia isännöi Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston Shanghai Research Institute ja Nanqi Quantum Science and Technology Exchange Center Pudongin uudella alueella. Sitä tukee Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston uusi alumni-säätiö. Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston koulutussäätiö, Pudongin uuden alueen tiede- ja teknologiayhdistys, Kiinan tiede- ja teknologiayhdistys ja Pudongin uuden alueen tiede- ja teknologia- ja talouskomitean tukema.
