精度提高1000倍 下一代原子钟研发又有新突破

精度提高1000倍下一代原子钟研发又有新突破艺术家描绘的钪核钟：科学家们利用欧洲XFEL的X射线脉冲激发了钪原子核中能够产生时钟信号的过程，其精确度达到了前所未有的3000亿年一秒。资料来源：欧洲XFEL/耶拿赫尔姆霍兹研究所，TobiasWüstefeld/RalfRöhlsberger当前的原子钟机制原子钟是目前世界上最准确的计时器。这些时钟使用化学元素（例如铯）原子层中的电子作为脉冲发生器来定义时间。使用已知频率的微波可以将这些电子提升到更高的能级。在此过程中，它们吸收微波辐射。原子钟向铯原子发射微波并调节辐射频率，以使微波的吸收最大化；专家称之为共振。产生微波的石英振荡器可以在共振的帮助下保持稳定，使得铯钟在3亿年内精确到一秒以内。对于原子钟的精度来说至关重要的是所使用的共振宽度。目前的铯原子钟已经使用非常窄的共振；锶原子钟的精度更高，150亿年仅差一秒。使用这种电子激发方法实际上不可能实现进一步的改进。因此，世界各地的团队多年来一直在研究“核”时钟的概念，该时钟使用原子核中的跃迁作为脉冲发生器，而不是原子壳中的跃迁。核共振比原子壳层中电子的共振剧烈得多，但也更难激发。钪带来的突破在欧洲XFEL，该团队现在可以在元素钪的原子核中激发出有希望的转变，钪元素很容易以高纯度金属箔或化合物二氧化钪的形式获得。这种共振需要能量为12.4千电子伏的X射线（keV，大约是可见光能量的10,000倍），宽度仅为1.4飞电子伏特(feV)。这是1.4万亿分之一电子伏特，大约仅为激发能(10-19)的十分之一。这使得1:10,000,000,000,000的精度成为可能。“这相当于3000亿年中的一秒，”在耶拿亥姆霍兹研究所工作的DESY研究员RalfRöhlsberger说道，该研究所是GSI亥姆霍兹重离子研究中心、亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心(HZDR)和亥姆霍兹中心的联合机构。。应用和未来潜力原子钟有许多受益于精度提高的应用，例如使用卫星导航进行精确定位。“钪共振的科学潜力在30多年前就被发现了，”该实验的项目负责人、美国阿贡国家实验室的尤里·施维德科(YuriShvyd’ko)报告提到。“然而，到目前为止，还没有任何X射线源能够在钪的1.4feV窄线内发出足够明亮的光，”进行该实验的欧洲XFELMID实验站的首席科学家安德斯·马德森(AndersMadsen)介绍说：“只有欧洲XFEL等X射线激光器才改变了这一情况。”在这项开创性的实验中，研究小组用X射线激光照射0.025毫米厚的钪箔，并能够检测到受激发的原子核发出的特征余辉，这是钪极窄共振线的明确证据。对于原子钟的构造来说，同样重要的是准确了解共振能量，换句话说，就是发生共振的X射线激光辐射的能量。先进的极端噪声抑制和高分辨率晶体光学使实验中的钪共振能量值在12.38959keV处确定在小数点后五位以内，比以前精确了250倍。海德堡马克斯普朗克核物理研究所的数据分析负责人JörgEvers强调说：“跃迁能量的精确测定标志着一项重大进展。准确了解这种能量对于实现基于钪的原子钟至关重要。”研究人员现在正在探索实现这种原子核钟的进一步步骤。Shvyd’ko解释道：“钪共振激发及其能量精确测量的突破不仅为核钟开辟了新途径，也为超高精度光谱学和基本物理效应的精确测量开辟了新途径。”美国德克萨斯农工大学的奥尔加·科恰洛夫斯卡娅（OlgaKocharovskaya）是美国国家科学基金会资助的该项目的发起人和领导者，她补充道：“例如，如此高的精度可以允许在亚毫米距离探测重力时间膨胀。这将有助于研究迄今为止无法实现的长度尺度上的相对论效应。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387327.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387327.htm

德国联邦物理技术研究院的科学家们创造了一种新型光学原子钟

德国联邦物理技术研究院的科学家们创造了一种新型光学原子钟因此，与中性或弱电的原子相比，高电荷离子的最外层电子与原子核的结合更强。这使得高电荷离子受外部电磁场的影响较小，但对狭义相对论、量子电动力学和原子核的基本效应更为敏感。"因此，我们期望带有高电荷离子的光学原子钟能够帮助我们更好地测试这些基本理论"，联邦物理技术研究所（PTB）物理学家LukasSpieß解释说。"这个希望已经实现了。我们能够在一个五电子系统中检测到量子电动核反冲，这是一个重要的理论预测，这在之前的任何其他实验中都没有实现过。"在此之前，该团队必须在多年的工作中解决一些基本问题，如检测和冷却。对于原子钟来说，人们必须将粒子极度冷却，以便尽可能地阻止它们，从而读出它们在静止状态下的频率。然而，高电荷离子是通过创造一个极热的等离子体产生的。由于其极端的原子结构，高电荷离子不能用激光直接冷却，标准检测方法也不能使用。海德堡的MPIK和PTB的QUEST研究所之间的合作解决了这个问题，从热等离子体中分离出一个单一的高电荷氩离子，并将其与一个单电荷铍离子一起储存在一个离子阱中。这使得高电荷离子可以被间接冷却并通过铍离子进行研究。随后，研究人员在MPIK建造了一个先进的低温陷阱系统，并在PTB完成了实验，这些实验部分是由在各机构之间转换的学生进行的。随后，在PTB开发的一种量子算法成功地将高电荷离子进一步冷却，即接近量子力学基态。这相当于绝对零度以上200百万分之一开尔文的温度。这些结果已经在2020年的《自然》杂志和2021年的《物理评论X》杂志上发表。现在，研究人员已经成功地迈出了下一步。他们已经实现了一个基于十三倍带电氩离子的光学原子钟，并将其与PTB现有的镱离子钟的走时进行比较。为了做到这一点，他们必须对该系统进行非常详细的分析，以便了解例如高度带电离子的运动和外部干扰场的影响。结果他们实现了1017分之2的测量不确定性，这与许多目前运行的光学原子钟相当。研究小组负责人皮特-施密特说："我们期望通过技术改进进一步降低不确定性，这应该使我们的研究成果进入最优秀的原子钟的行列。"研究人员创造了一个与现有光学原子钟相比的强有力的竞争者，例如，基于单个镱离子或中性锶原子的光学原子钟，所使用的方法是普遍适用的，可以研究许多不同的高电荷离子。这些包括可用于搜索粒子物理学标准模型的扩展的原子系统，其他高电荷离子对精细结构常数的变化和某些暗物质候选物特别敏感，这些候选物在标准模型之外的模型中是需要的，但用以前的方法无法检测到。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337047.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337047.htm

暗物质依然 "黑暗" - 科学家利用原子钟揭示新奥秘

暗物质依然"黑暗"-科学家利用原子钟揭示新奥秘PTB的研究人员利用灵敏的原子钟寻找超轻暗物质影响精细结构常数的证据，但没有发现明显的变化，从而完善了我们对暗物质潜在相互作用和常数随时间变化稳定性的理解。一种特别有前景的理论方法暗示，暗物质可能由极轻的粒子组成，其行为更像是波而不是单个粒子：即所谓的"超轻"暗物质。在这种情况下，以前未被发现的暗物质与光子之间的微弱相互作用将导致精细结构常数的微小振荡。精细结构常数是描述电磁相互作用强度的自然常数。它决定了原子能量标度，从而影响了原子钟中用作参考的转变频率。由于不同的跃迁对常数的可能变化具有不同程度的敏感性，因此原子钟的比较可用于寻找超轻暗物质。为此，PTB的研究人员现在使用了一种原子钟，它在这种搜索中对精细结构常数的可能变化特别敏感。为此，在长达数月的测量中，将这一灵敏的原子钟与灵敏度较低的另外两个原子钟进行了比较。测量数据被用于研究超轻暗物质的特征--振荡。由于没有发现明显的振荡，暗物质仍然是"暗"的，即使经过更仔细的检查也是如此。由于没有发现信号，因此无法探测到神秘的暗物质，但可以对超轻物质与光子之间可能的耦合强度确定新的实验上限，以前的上限在很大范围内提高了一个数量级以上。与此同时，研究人员还研究了精细结构常数是否会随着时间的推移而发生变化，例如非常缓慢地增加或减少。数据中没有检测到这种变化。在这里，现有的限制也被收紧，表明即使在很长一段时间内，常数也保持不变。与以往的时钟比较不同，在以往的比较中，每个原子钟都需要自己的实验系统，而在这项工作中，三个原子钟中的两个是在一个实验装置中实现的。为此，使用了单个被俘离子的两种不同跃迁频率：离子在两个光学转变频率上交替接受询问。这是朝着使光学频率比较更加紧凑和稳健迈出的重要一步--例如，用于未来在太空中寻找暗物质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376071.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376071.htm

三台原子钟将随梦天实验舱升空 建立一套异常精确的天基计时系统

三台原子钟将随梦天实验舱升空建立一套异常精确的天基计时系统据香港《南华早报》网站9月8日报道，中国很快将把三台原子钟送入其空间站，以建立一套异常精确的天基计时系统。中国载人航天工程空间科学首席专家顾逸东说，这些时钟能够共同工作，其秒级稳定度为10的负17次方。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1315509.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1315509.htm

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动2月15日，《科学》（Science）杂志报道了这一研究成果，它为研究液相分子的电子结构提供了一个新的视窗，而这种视窗的时间尺度是以前的X射线所无法达到的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应，这是了解辐照对物体和人的影响的重要一步。这项研究的资深作者、阿贡国家实验室特聘研究员琳达-杨说："我们想研究的辐射诱导的化学反应是目标电子反应的结果，这种反应发生在阿秒时间尺度上。到目前为止，辐射化学家只能分辨皮秒级的事件，比阿秒级慢一百万倍。这有点像说'我出生了，然后我死了'。你想知道这中间发生了什么。这正是我们现在能够做到的。""我们开发的方法允许研究......辐射诱导过程产生的反应物，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的反应物。"阿贡杰出研究员、芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授琳达-杨介绍说。来自美国能源部多个国家实验室以及美国和德国多所大学的多机构科学家小组将实验与理论相结合，实时揭示了X射线源的电离辐射撞击物质时产生的后果。在发生作用的时间尺度上进行研究，将使研究小组能够更深入地理解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初是为了开发必要的工具来了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响而走到一起的。这项研究得到了能源部赞助的放射性环境和材料界面动力学（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，该中心总部设在太平洋西北国家实验室（PNNL）。水样照片：为了记录X射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约1厘米宽的液态水薄片，作为X射线光束的目标。图片来源：EmilyNienhuis太平洋西北国家实验室亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，阿秒的时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上已经度过的秒数还要多。目前的研究以获得2023年诺贝尔物理学奖的新科学--阿秒物理学为基础。阿秒X射线脉冲仅在全球少数几个专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）进行了实验工作，当地团队率先在这里开发了阿秒X射线自由电子激光器。来自SLAC国家加速器实验室的阿戈-马里内利（AgoMarinelli）说："阿秒时间分辨实验是里纳克相干光源的旗舰研发项目之一，"他与詹姆斯-克赖恩（JamesCryan）共同领导了此次实验所使用的一对同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲的开发工作。"看到这些研发成果被应用于新型实验，并将阿秒科学带入新的发展方向，我们感到非常兴奋"。2022年6月，团队成员在SLAC国家加速器实验室里纳相干光源的控制室。从左至右：SLAC的DavidJ.Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的KaiLi、西北太平洋国家实验室IDREAM主任CarolynPearce、SLAC的Ming-FuLin和ANL的ShuaiLi。图片来源：CarolynPearce太平洋西北国家实验室这项研究中开发的技术--液体中的全X射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够"观察"被X射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授杨说："我们现在有了一种工具，原则上可以跟踪电子的运动，实时看到新电离分子的形成。"这些新报告的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构形状或"图案"的结果。这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中两种结构模式的证据。杨说："基本上，人们在以前的实验中看到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有时间移动之前进行了所有的记录，从而消除了这种移动"。研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开端。为了实现这一发现，PNNL的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC的X射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作。在2021年至2022年全球大流行期间，PNNL团队利用在SLAC开发的技术，在X射线泵脉冲路径上喷射出一片超薄的纯水。PNNL的早期职业化学家艾米丽-尼恩胡斯（EmilyNienhuis）说："我们需要一个漂亮、平整、薄的水片，在那里我们可以聚焦X射线。这种能力是在LCLS开发出来的。在PNNL，Nienhuis演示了这种技术也可用于研究IDREAMEFRC核心的特定浓缩溶液，并将在下一阶段的研究中进行调查。"收集到X射线数据后，来自华盛顿大学的理论化学家李晓松和研究生卢立新运用他们解释X射线信号的知识，再现了在SLAC观察到的信号。由理论家罗宾-桑特拉（RobinSantra）领导的CFEL小组建立了液态水对阿秒X射线响应的模型，以验证观测到的信号确实局限于阿秒时间尺度。"利用华盛顿大学的Hyak超级计算机，我们开发出了一种尖端的计算化学技术，能够详细描述水的瞬态高能量子态，"华盛顿大学LarryR.Dalton化学讲座教授、PNNL实验室研究员李说。"这一方法学上的突破在量子层面理解超快化学转化方面取得了举足轻重的进展，其准确性和原子级细节都非常出色。"首席研究员杨发起了这项研究并监督其实施，第一作者和博士后ShuaiLi在现场领导了这项研究。阿贡的物理学家吉勒-杜米（GillesDoumy）和芝加哥大学的研究生李凯（KaiLi）是进行实验和分析数据的团队成员。阿贡纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施，该中心帮助鉴定了水片喷射目标的特性。研究团队一起窥探了液态水中电子的实时运动，而世界上的其他地方却静止不动。杨说："我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的活性物种的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物种。"编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1418733.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1418733.htm

MPQ团队利用单个铷原子产生了数量破纪录的量子纠缠光子簇

MPQ团队利用单个铷原子产生了数量破纪录的量子纠缠光子簇在2022年8月24日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，来自马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）的一支团队，详细介绍了一种高效驱动光量子纠缠的新方法。虽然听起来有些违反直觉，但数十年来的量子实验已经充分证明——无论相距多远，改变其中一个结对粒子的状态、就会同步改变另一粒子的状态。一个铷原子被困在一个由两个高反射镜组成的光学谐振器中（渲染图，来自：MPQ）受量子纠缠现象的启发，近年来已有大量团队投入新兴商业技术的开发。真空状态下的光学谐振器，单个铷原子被困于支架内的锥形镜之间。以量子计算器为例，其中纠缠的例子，就可用于存储和存储信息的量子比特。研究配图1-实验设置/协议概述为实现最佳效果，量子计算机需要用到能够产生大量粒子、并将之纠缠到一起的装置，但这显然并非易事。研究配图2-GHz状态好消息是，MPQ研究人员找到了一种更可靠的量子纠缠方法，并成功地将14个光子纠缠到了一起——这也是迄今为止规模最喜人的“光子簇”。研究配图3-集簇状态具体说来是，研究团队从单独的铷原子开始上手，将它困在一个以特定模式反射电磁波的光学腔中。当被特定频率的激光击中时，原子就被赋予了准备就绪的给定特定。研究配图4-测得N光子重合率接着研究人员向它发射另一调制脉冲，以使原子发射一个与它纠缠的光子。通过重复该过程，原子便可在每个光子发射之间旋转，直到产生一整条相互纠缠的“光子链”。扩展数据图1-详细的实验序列更棒的是，该过程较现有技术的效率更加出众——产生光子的时间占比超过43%，近乎每两次光脉冲就能产生一个光子。扩展数据图2-奇偶性振荡尽管对于长期关注量子纪录的朋友们来说，14个纠缠量子可能听起来不算多——毕竟此前科学家已设法通过气体实验、实现了数万亿个原子的纠缠——但此类系统并不适用于量子计算机或量子通信。扩展数据图3-发射器的相干特性相比之下，通过常规技术手段产生的光子，其量子应用也要简单得多。更何况这项新技术颇具效率优势，意味着后续能够轻松扩展光子的产量。下一步，MPQ团队计划开展至少利用两个原子的新实验。扩展数据图4-vSTIRAP过程引发的失真最后，有关这项研究的详情，已发表于近日出版的《Nature》期刊上，原标题为《Efficientgenerationofentangledmultiphotongraphstatesfromasingleatom》。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309989.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1309989.htm