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光学锶钟提高秒精度

09 Jan 2013

德国团队测量了温度对锶原子的影响,从而将测量不确定度降低了一个数量级。

基于中性锶原子的光钟被认为是定义“新”秒的首选。德国不伦瑞克物理技术联合会(PTB)的研究科学家说,现在可以更精确地确定时钟的频率-幅度高达一个数量级。

实验结果已发表在最新一期的 体检信预计对于从事大地测量(测量地球周围3D力)和基础物理研究(例如基本常数是否真的恒定)的科学家感兴趣。

克里斯蒂安·利斯塔德(Christian Lisdat)的PTB小组表示,光学时钟被认为是“未来的时钟”。这是因为它们可以使SI基础单元(已经是所有SI基础单元中最精确的第二单元)更加准确地实现。这样,其定义将不再基​​于微波辐射与铯原子的相互作用,而是基于光辐射与锶原子或离子的相互作用。

但是即使在对秒针的新定义进行最新工作之前,光学时钟也已证明了其实用性,例如在大地测量中,它们可以比以往更准确地帮助确定地球的“地球”(精确的海平面位置)。此外,它们为基本物理学家提供了人们期待已久的仪器,用于检测基本常数(例如“α”)的细微变化,细化结构的耦合常数表征了电磁相互作用的强度。

光学优势

光钟如此精确的原因是光辐射振荡得非常快。它比目前在铯原子钟中用于产生秒的微波辐射要快得多。时钟的“钟摆”(振荡系统)越快,原则上可以分解的时间越短,因此时钟变得越稳定和准确。在光学锶钟中,中性锶原子云通过激光辐射分两步冷却,直到原子最终展现出每秒仅几厘米的速度。

所谓的“光学晶格”确保原子被俘获并且实际上不再移动。不幸的是,锶原子对环境温度的变化反应相对强烈。然后它们的原子能级发生剧烈移动,从而导致时钟变得不准确。

这是对该时钟不确定性的最大贡献,并且PTB科学家现在已经成功地首次对其进行了测量。为此,他们需要一个辅助系统。为了以所需的精度进行测量,他们通过使用静电场而不是黑体辐射的交变电磁场来大大放大了影响。

他们构造了一种特殊的平行板电容器,其电场以几十ppm的精度为人所知。为此,两块板之间的距离为0.5 cm,在其7 cm的长度上只能相差100 nm。距离的精度也一样。

PTB科学家使用平行板电容器测量了电磁场对锶原子中两个决定性的(对于时钟而言)本征态的影响。他们确定其不确定性对总测量不确定度的贡献为5 x 10-18。由于迄今为止,这种影响是对总测量不确定度的最大限制,因此可以预期整个时钟的下一次频率测量将大大低于先前获得的1 x 10-16.

关于作者

Matthew Peach是《 Opticals.org

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