中間的發光球稱為“磁光阱”（MOT），由大約3億個锶原子組成，這些锶原子懸浮在冷卻至絕對零度以上的真空室中。研究人員使用這個陷阱來開發測量時間的新技術。圖檔來源：艾略特·玻爾
超輻射原子可以幫助我們比以往任何時候都更精确地測量時間。在最近的一項研究中，哥本哈根大學的研究人員提出了一種測量時間間隔的新方法，第二種方法減輕了當今最先進的原子鐘遇到的一些限制。這一結果可能在太空旅行、火山爆發和GPS系統等領域産生廣泛影響。
與千克、米和開爾文度等其他基本機關相比，第二個是最精确定義的測量機關。目前，時間是由世界各地不同地方的原子鐘測量的，它們共同告訴我們現在是什麼時候。原子鐘利用無線電波不斷發送信号，使我們的計算機、手機和手表同步。
振蕩是保持時間的關鍵。在祖父鐘中，這些振蕩來自鐘擺每秒左右擺動，而在原子鐘中，它是一種雷射束，對應于锶的能量躍遷，每秒振蕩約一百萬億次。
但根據尼爾斯·玻爾研究所（Niels Bohr Institute）的博士研究員艾略特·玻爾（Eliot Bohr）——尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）的曾孫——的說法，即使是原子鐘也可以變得更加精确。這是因為大多數現代原子鐘用來讀取原子振蕩的探測雷射會使原子升溫到如此之多，以至于它們逃逸，進而降低了精度。
“因為原子不斷需要被新的原子替換，而新的原子正在準備中，是以時鐘會稍微浪費時間。是以，我們正試圖克服世界上最好的原子鐘目前的一些挑戰和局限性，其中包括重複使用原子，這樣它們就不需要經常更換，“玻爾解釋說，他在做這項研究時受雇于尼爾斯玻爾研究所，但現在是科羅拉多大學的博士研究員。
他是發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上的一項新研究的主要作者，該研究使用了一種創新且可能更有效的時間測量方法。
超亮度和冷卻至絕對零度
目前的方法包括一個熱烤箱，将大約3億個锶原子吐入一個非常冷的冷原子球中，稱為磁光阱（MOT）。這些原子的溫度約為-273°C，非常接近絕對零度，并且有兩面鏡子，它們之間有一個光場，以增強原子互相作用。玻爾與他的研究同僚一起開發了一種讀出原子的新方法。
“當原子降落在真空室中時，它們完全靜止不動，因為它太冷了，這使得它們可以用腔室兩端的兩面鏡子記錄它們的振蕩，”玻爾解釋說。
研究人員之是以不需要用雷射加熱原子并破壞它們，這要歸功于一種被稱為“超輻射”的量子實體現象。當锶原子群糾纏在一起，同時在兩個鏡子之間的場中發光時，就會發生這種現象。
“鏡子使原子表現為一個單一的單元。總的來說，它們發出強大的光信号，我們可以用它來讀出原子狀态，這是測量時間的關鍵步驟。這種方法對原子的加熱最小，是以這一切都在不更換原子的情況下發生，這有可能使其成為一種更精确的測量方法，“玻爾解釋道。
艾略特·玻爾（左）和同僚索弗斯·拉古納·克裡斯滕森在尼爾斯·玻爾研究所開始實驗。照片：Ola J. Joensen，NBI。圖檔來源：照片：Ola J. Joensen，NBI。
全球定位系統、太空任務和火山噴發
根據玻爾的說法，新的研究結果可能有助于開發更精确的GPS系統。事實上，大約有30顆衛星不斷環繞地球并告訴我們我們在哪裡，它們需要原子鐘來測量時間。
“每當衛星确定你的手機或GPS的位置時，你就是在使用衛星中的原子鐘。原子鐘的精度是如此重要，如果原子鐘偏離一微秒，就意味着地球表面大約100米的不精确，“玻爾解釋說。
未來的太空任務是研究人員預計更精确的原子鐘将産生重大影響的另一個領域。
“當人們和飛船被送入太空時，它們會離我們的衛星更遠。是以，在太空中導航對精确時間測量的要求要高得多，“他說。
這一結果還可能有助于開發新一代更小的便攜式原子鐘，這些原子鐘不僅可以用于測量時間。
“原子鐘對引力變化很敏感，是以可以用來檢測地球品質和重力的變化，這可以幫助我們預測火山爆發和地震何時發生，”玻爾說。
玻爾強調，雖然使用超輻射原子的新方法非常有前途，但它仍然是一個“概念證明”，需要進一步完善。
該研究由尼爾斯·玻爾研究所的 Jörg Helge Müller 和 Jan Thomsen 團隊與博士生 Sofus Laguna Kristensen 和 Julian Robinson-Tait 以及博士後 Stefan Alaric Schäffer 合作進行。該項目還包括來自因斯布魯克大學的理論家Helmut Ritsch和Christoph Hotter以及哥倫比亞大學的Tanya Zelevinsky的貢獻。這項工作強調了科學領域國際合作的重要性。
更多資訊：Eliot A. Bohr 等人，通過空腔亞輻射到超輻射躍遷共同增強了 Ramsey 讀數，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-45420-x
期刊資訊： Nature Communications