Σφάλμα 39,6 δισεκατομμυρίων ετών λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο: Το πιο ακριβές ατομικό ρολόι στον κόσμο σημειώνει νέο ρεκόρ
2024-08-19
한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina
Πόσο διαρκεί 1 δευτερόλεπτο; Πώς πρέπει να οριστεί η επιστημονική ακρίβεια ενός δευτερολέπτου; Στις 22 Σεπτεμβρίου 2023, το Mozi Salon είχε την τιμή να προσκαλέσει τον Jun Ye, καθηγητή του Τμήματος Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο και νικητή του "Mozi Quantum Prize", για να δώσει μια ομιλία με τίτλοΗ ομιλία παρουσίασε το ερευνητικό υπόβαθρο των ατομικών ρολογιών με έναν εύκολο στην κατανόηση τρόπο και την εξερεύνηση της ερευνητικής ομάδας για τη συνεχή βελτίωση της ακρίβειας της μέτρησης του χρόνου.Τώρα, μπορεί να βελτιωθεί το ανώτερο όριο ακρίβειας των ατομικών ρολογιών; Το τελευταίο επίτευγμα της ομάδας του Ye Jun έσπασε για άλλη μια φορά το ρεκόρ ακρίβειας ατομικού ρολογιού, πέτυχε ένα άλμα στην ακρίβεια μέτρησης του χρόνου και έθεσε ένα νέο σημείο αναφοράς για την επόμενη γενιά ατομικών ρολογιών. Στις 24 Ιανουαρίου, αναπτύξαμε με επιτυχία το σύστημα οπτικού ρολογιού με τους καλύτερους εσωτερικούς δείκτες () η ομάδα οπτικού ρολογιού από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας προσκλήθηκε από τη Φυσική να παρουσιάσει αυτό το αποτέλεσμα.
Η εμφάνιση των ατομικών ρολογιών τη δεκαετία του 1950 σηματοδότησε μια σημαντική ανακάλυψη στην ικανότητά μας να μετράμε τον χρόνο με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια.Μετά από 70 χρόνια ανάπτυξης, είναι αυτή τη στιγμή η πιο ακριβής συσκευή χρονομέτρησης, αν είχε ξεκινήσει το χρονισμό στην αρχή του Big Bang, το σφάλμα του δεν θα ξεπερνούσε το ένα δευτερόλεπτο.Αυτά τα ακριβή ατομικά ρολόγια έχουν ευρείες εφαρμογές στη βασική φυσική, τη μετρολογία, τη ναυσιπλοΐα και άλλα πεδία. Περαιτέρω βελτιώσεις θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια σειρά από νέες εφαρμογές και νέες δοκιμές της θεμελιώδης φυσικής.Ωστόσο, η επίτευξη περαιτέρω βελτιώσεων αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις, μεταξύ των οποίων ο περιβαλλοντικός θόρυβος, όπως οι διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου και οι αλλαγές θερμοκρασίας, και οι πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις των ατόμων, που διέπουν τη λειτουργία του ρολογιού αλλά είναι δύσκολο να ελεγχθούν. Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, ερευνητές από το American Joint Astrophysics Laboratory (ΤΖΙΛΑ) και μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Μπόλντερ έσπασαν το ρεκόρ για την ακρίβεια του ατομικού ρολογιού.▲ Εικόνα 1:Τα άτομα στροντίου είναι μέσα1μικρό0και3Π0Οι μεταβάσεις μεταξύ των καταστάσεων χρησιμεύουν ως αναφορές για ρολόγια οπτικού πλέγματος. Όταν ένα οπτικό σήμα συντονίζεται με μια μετάβαση, η συχνότητά του μπορεί να οριστεί με μεγάλη ακρίβεια.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα ρολόι οπτικού πλέγματος (OLC) που βασίζεται σε ουδέτερα άτομα στροντίου για να μετρήσει τη συχνότητα των ατομικών μεταπτώσεων του στροντίου και η αβεβαιότητα του συστήματός του έφτασε το 8,1×10-19, υπερδιπλάσιο από το προηγούμενο ρεκόρ (προκαταρκτική εργασία της ομάδας). Αυτό το επίτευγμα σηματοδοτεί ένα άλμα στην ακρίβεια μέτρησης του χρόνου και θέτει ένα νέο σημείο αναφοράς για την επόμενη γενιά ατομικών ρολογιών.Τα πρώτα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούσαν τη συχνότητα των σημάτων μικροκυμάτων ως «εκκρεμές» για να κρατήσουν το χρόνο. Σήμερα, οι καλύτερες τεχνικές μέτρησης χρόνου βασίζονται στο φως που εκπέμπεται από ορισμένες ατομικές μεταπτώσεις, που ονομάζονται μεταβάσεις ρολογιού. Η υψηλή συχνότητα (συνήθως μερικές εκατοντάδες terahertz) και τα στενά πλάτη γραμμής (συνήθως 1-100 millihertz) αυτών των μεταβάσεων σημαίνουν ότι τα οπτικά ατομικά ρολόγια μπορούν να μετρήσουν τον χρόνο με μεγαλύτερη ακρίβεια από τα ατομικά ρολόγια που βασίζονται σε μικροκύματα, τα οποία χρονίζουν σε χαμηλότερες συχνότητες. Χάρη στις άοκνες προσπάθειες των ερευνητών τις τελευταίες δεκαετίες, τα οπτικά ρολόγια έχουν πλέον περισσότερες από δύο τάξεις μεγέθους καλύτερα από τα ρολόγια μικροκυμάτων. Η περαιτέρω βελτίωση της απόδοσής του σημαίνει μείωση του μεγέθους των συστηματικών σφαλμάτων.Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, οι ομάδες JILA και University of Colorado Boulder επανεκτίμησαν τους συντελεστές ορισμένων ατομικών παραμέτρων που είναι κρίσιμες για τη λειτουργία των οπτικών ατομικών ρολογιών. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές ερεύνησαν τη μετάβαση του ρολογιού με τη χαμηλότερη μαγνητική ευαισθησία μεταξύ των ατόμων στροντίου (3Π0και1μικρό0οι μεταβάσεις μεταξύ των καταστάσεων) βαθμονομήθηκαν με ακρίβεια (βλ. Εικόνα 1) και προσδιορίστηκαν οι συντελεστές Zeeman δεύτερης τάξης.Ο συντελεστής Zeeman περιγράφει την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου στο ενεργειακό επίπεδο ενός ηλεκτρονίου και επομένως τη μεταβολή της συχνότητας του εκπεμπόμενου φωτός κατά τη σχετική μετάβαση. Συνήθως, οι μαγνητικά μη ευαίσθητες μεταβάσεις ρολογιού επιλέγονται για να ελαχιστοποιηθεί η κυρίαρχη μετατόπιση συχνότητας Zeeman πρώτης τάξης, η οποία μειώνει την ευαισθησία του ρολογιού στις διακυμάνσεις στο μαγνητικό πεδίο του περιβάλλοντος. Αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν πιο αδύναμα αποτελέσματα δεύτερης τάξης. Η βαθμονόμηση αυτού του συντελεστή από την ομάδα μείωσε την αβεβαιότητα που προκαλείται από τη μετατόπιση συχνότητας Zeeman δεύτερης τάξης στο 1×10-19, διπλάσια από την προηγούμενη βαθμονόμηση.▲ Εικόνα 2:Τον Σεπτέμβριο του 2023, στο Διεθνές Συνέδριο του 2023 για τις Αναδυόμενες Κβαντικές Τεχνολογίες στο Hefei, ο Jun Ye, ως νικητής του "Mozi Quantum Prize", έδωσε μια υπέροχη επιτόπια έκθεση βράβευσης.
Οι ερευνητές ασχολήθηκαν επίσης με έναν δεύτερο παράγοντα που επηρεάζει την αβεβαιότητα του ρολογιού: τη δυναμική διόρθωση της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος. Η ακτινοβολία του μαύρου σώματος μπορεί να επηρεάσει τα ενεργειακά επίπεδα των ατόμων μέσω των ηλεκτρικών τους πεδίων, μια αναπόφευκτη συνέπεια της λειτουργίας των ρολογιών σε περιβάλλον θερμοκρασίας δωματίου. Η δυναμική συνιστώσα αυτού του φαινομένου αναφέρεται στη διαφορική μετατόπιση συχνότητας μεταξύ των επιπέδων ατομικής ενέργειας. Σε προηγούμενες γενιές ρολογιών οπτικού πλέγματος στροντίου, η ακρίβεια ήταν ιδιαίτερα περιορισμένη από3Π0Αβεβαιότητα στη μετατόπιση του ενεργειακού επιπέδου (η υψηλότερη από τις δύο καταστάσεις που ορίζουν τη μετάβαση του ρολογιού). Το μέγεθος αυτής της μετατόπισης συχνότητας σχετίζεται με μια μετάβαση εντός του ενεργειακού φάσματος ακτινοβολίας του μαύρου σώματος - δηλαδή3Π0και υψηλότερα επίπεδα ενέργειας3ρε1Η μετάβαση μεταξύ των3ρε1καθορίζεται από τη διάρκεια ζωής του κράτους. Κάνοντας αυτές τις μετρήσεις, η ομάδα βελτίωσε την αβεβαιότητα στη μετατόπιση της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος από το προηγούμενο 1,5 × 10-18Μειώθηκε σε 7,3×10-19. Συνδυάζοντας τη μείωση της αβεβαιότητας μετατόπισης συχνότητας της ακτινοβολίας μαύρου σώματος με άλλους περιβαλλοντικούς ελέγχους όπως η σταθεροποίηση της θερμοκρασίας, οι ερευνητές προσδιόρισαν ότι όλα τα φαινόμενα του συστήματος συνέβαλαν στη συνολική αβεβαιότητα των επιπέδων ενέργειας μετάβασης του ρολογιού σε λιγότερο από 1 × 10-18。Για τον έλεγχο και τη μέτρηση των ατόμων στο ρολόι του οπτικού πλέγματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης ένα οπτικό πλέγμα με «μαγικό μήκος κύματος». Σε μια παγίδα οπτικού πλέγματος, τα επίπεδα ενέργειας των ατόμων μπορεί να μετατοπιστούν λόγω της επίδρασης του ηλεκτρικού πεδίου της δέσμης λέιζερ. Ωστόσο, σε ένα πηγάδι δυναμικού που χειρίζεται σε μαγικά μήκη κύματος, το πηγάδι δυναμικού είναι το ίδιο ανεξάρτητα από την ηλεκτρονική κατάσταση των ατόμων. Αυτό σημαίνει ότι ελαχιστοποιούνται οι μετατοπίσεις συχνότητας της σχετικής στάθμης ενέργειας που προκαλούνται από τη δέσμη λέιζερ μεταξύ των μεταβατικών καταστάσεων ρολογιού, γεγονός που βοηθά στο να γίνει το πλάτος γραμμής της μετάβασης όσο το δυνατόν πιο στενό. Οι ερευνητές ενσωμάτωσαν επίσης μια διαδικασία ψύξης που τους επέτρεπε να χρησιμοποιήσουν ένα ρηχό πλέγμα για να περιορίσουν τα άτομα. Όταν τα άτομα είναι πιο στενά περιορισμένα, η μετατόπιση συχνότητας στα επίπεδα ενέργειας που προκαλείται από τη δέσμη λέιζερ είναι μεγαλύτερη, επομένως το ρηχό δυναμικό ελαχιστοποιεί αυτή τη μετατόπιση συχνότητας.Αυτές οι μέθοδοι επιτρέπουν στη συσκευή τους να υπερβαίνει την ακρίβεια όλων των προηγούμενων ρολογιών πλέγματος φωτός, μετρώντας τον χρόνο με σφάλμα μικρότερο από ένα δευτερόλεπτο σε 39,6 δισεκατομμύρια χρόνια. Οι επιπτώσεις αυτής της βελτίωσης είναι εκτεταμένες. Για παράδειγμα, σε συνδυασμό με την πρόοδο της ομάδας του Κολοράντο, μια νέα γενιά οργάνων θα μπορούσε να θέσει ένα νέο σημείο αναφοράς για τον ορισμό του δευτερολέπτου. Οι μελλοντικές προσπάθειες μπορεί να επικεντρωθούν στη βελτίωση αυτών των τεχνικών για περαιτέρω μείωση των αβεβαιοτήτων μέσω, για παράδειγμα, της κρυογονικής λειτουργίας. Αυτή η τεχνολογία μέτρησης εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη θεμελιωδών ζητημάτων στην πρώτη γραμμή της φυσικής, όπως η δυνατότητα αποκάλυψης της κβαντικής φύσης της βαρύτητας και της φύσης της σκοτεινής ύλης μέσω παρατηρήσεων βαρυτικών κυμάτων.
Ο Μόζι είναι διάσημος στοχαστής και επιστήμονας στην αρχαία χώρα μου Οι σκέψεις και τα επιτεύγματά του είναι η ενσάρκωση της εκκολαπτόμενης επιστήμης της πρώιμης χώρας μου. Η ίδρυση του Mozi Salon στοχεύει να κληρονομήσει και να προωθήσει την επιστημονική παράδοση, να υποστηρίξει και να προωθήσει το επιστημονικό πνεύμα, να ενισχύσει τον επιστημονικό γραμματισμό των πολιτών και να οικοδομήσει μια κοινωνική ατμόσφαιρα που υποστηρίζει την επιστήμη.
Το Mozi Salon απευθύνεται στο ευρύ κοινό που αγαπά την επιστήμη, έχει πνεύμα εξερεύνησης και περιέργειας Μέσω των προσωπικών δημόσιων δραστηριοτήτων και των διαφοροποιημένων νέων πλατφορμών μέσων, ελπίζουμε να αφήσουμε όλους να κατανοήσουν την πιο αιχμή επιστημονική πρόοδο στον κόσμο. τις πιο προηγμένες επιστημονικές ιδέες και εξερευνήστε το μυστικό της επιστήμης και νιώστε την ομορφιά της επιστήμης.
Το Mozi Salon χρηματοδοτείται από το Ερευνητικό Ινστιτούτο της Σαγκάης του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας και το Κέντρο Ανταλλαγών Επιστήμης και Τεχνολογίας Nanqi στο Pudong New Area. το Εκπαιδευτικό Ίδρυμα του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, το Pudong New Area Science and Technology Association, το China Association for Science and Technology και με την υποστήριξη της Pudong New Area Science and Technology and Economic Committee.
Σχετικά με το "Mozi Salon"
