中间的发光球称为“磁光阱”（MOT），由大约3亿个锶原子组成，这些锶原子悬浮在冷却至绝对零度以上的真空室中。研究人员使用这个陷阱来开发测量时间的新技术。图片来源：艾略特·玻尔
超辐射原子可以帮助我们比以往任何时候都更精确地测量时间。在最近的一项研究中，哥本哈根大学的研究人员提出了一种测量时间间隔的新方法，第二种方法减轻了当今最先进的原子钟遇到的一些限制。这一结果可能在太空旅行、火山爆发和GPS系统等领域产生广泛影响。
与千克、米和开尔文度等其他基本单位相比，第二个是最精确定义的测量单位。目前，时间是由世界各地不同地方的原子钟测量的，它们共同告诉我们现在是什么时候。原子钟利用无线电波不断发送信号，使我们的计算机、手机和手表同步。
振荡是保持时间的关键。在祖父钟中，这些振荡来自钟摆每秒左右摆动，而在原子钟中，它是一种激光束，对应于锶的能量跃迁，每秒振荡约一百万亿次。
但根据尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的博士研究员艾略特·玻尔（Eliot Bohr）——尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的曾孙——的说法，即使是原子钟也可以变得更加精确。这是因为大多数现代原子钟用来读取原子振荡的探测激光会使原子升温到如此之多，以至于它们逃逸，从而降低了精度。
“因为原子不断需要被新的原子替换，而新的原子正在准备中，所以时钟会稍微浪费时间。因此，我们正试图克服世界上最好的原子钟目前的一些挑战和局限性，其中包括重复使用原子，这样它们就不需要经常更换，“玻尔解释说，他在做这项研究时受雇于尼尔斯玻尔研究所，但现在是科罗拉多大学的博士研究员。
他是发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的一项新研究的主要作者，该研究使用了一种创新且可能更有效的时间测量方法。
超亮度和冷却至绝对零度
目前的方法包括一个热烤箱，将大约3亿个锶原子吐入一个非常冷的冷原子球中，称为磁光阱（MOT）。这些原子的温度约为-273°C，非常接近绝对零度，并且有两面镜子，它们之间有一个光场，以增强原子相互作用。玻尔与他的研究同事一起开发了一种读出原子的新方法。
“当原子降落在真空室中时，它们完全静止不动，因为它太冷了，这使得它们可以用腔室两端的两面镜子记录它们的振荡，”玻尔解释说。
研究人员之所以不需要用激光加热原子并破坏它们，这要归功于一种被称为“超辐射”的量子物理现象。当锶原子群纠缠在一起，同时在两个镜子之间的场中发光时，就会发生这种现象。
“镜子使原子表现为一个单一的单元。总的来说，它们发出强大的光信号，我们可以用它来读出原子状态，这是测量时间的关键步骤。这种方法对原子的加热最小，因此这一切都在不更换原子的情况下发生，这有可能使其成为一种更精确的测量方法，“玻尔解释道。
艾略特·玻尔（左）和同事索弗斯·拉古纳·克里斯滕森在尼尔斯·玻尔研究所开始实验。照片：Ola J. Joensen，NBI。图片来源：照片：Ola J. Joensen，NBI。
全球定位系统、太空任务和火山喷发
根据玻尔的说法，新的研究结果可能有助于开发更精确的GPS系统。事实上，大约有30颗卫星不断环绕地球并告诉我们我们在哪里，它们需要原子钟来测量时间。
“每当卫星确定你的手机或GPS的位置时，你就是在使用卫星中的原子钟。原子钟的精度是如此重要，如果原子钟偏离一微秒，就意味着地球表面大约100米的不精确，“玻尔解释说。
未来的太空任务是研究人员预计更精确的原子钟将产生重大影响的另一个领域。
“当人们和飞船被送入太空时，它们会离我们的卫星更远。因此，在太空中导航对精确时间测量的要求要高得多，“他说。
这一结果还可能有助于开发新一代更小的便携式原子钟，这些原子钟不仅可以用于测量时间。
“原子钟对引力变化很敏感，因此可以用来检测地球质量和重力的变化，这可以帮助我们预测火山爆发和地震何时发生，”玻尔说。
玻尔强调，虽然使用超辐射原子的新方法非常有前途，但它仍然是一个“概念证明”，需要进一步完善。
该研究由尼尔斯·玻尔研究所的 Jörg Helge Müller 和 Jan Thomsen 团队与博士生 Sofus Laguna Kristensen 和 Julian Robinson-Tait 以及博士后 Stefan Alaric Schäffer 合作进行。该项目还包括来自因斯布鲁克大学的理论家Helmut Ritsch和Christoph Hotter以及哥伦比亚大学的Tanya Zelevinsky的贡献。这项工作强调了科学领域国际合作的重要性。
更多信息：Eliot A. Bohr 等人，通过空腔亚辐射到超辐射跃迁共同增强了 Ramsey 读数，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-45420-x
期刊信息： Nature Communications