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原子钟的量子力学滤波器(图)

 
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帖子发表于: 星期三 四月 08, 2015 9:57 am    发表主题: 原子钟的量子力学滤波器(图) 引用并回复

原子钟的量子力学滤波器(图)
2015-03-25

[据澳大利亚spacedaily网站2015年3月13日报道] 原子钟是世界上最精确的时钟。在原子钟里,电子从一个轨道到另一个轨道的跃迁,决定了时钟频率。为使电子跃迁,研究人员利用经过稳频的激光照射原子。不过,激光频率必须非常精确,以触发相当精确的电子跃迁。难题在于:要获得超精确的激光频率,是一件非常具有挑战性的事情,因为激光中总有一些微小“噪声”。

现在,丹麦哥本哈根大学玻尔研究所(Niels Bohr Institute)的科研人员,研究出了一种可将噪声降低100倍的方法。研究成果发表在科学杂志《物理评论快报》上。

原子钟里的原子是被保持在一个真空腔里的锶气体。利用磁场和精确的激光(蓝光)光束,原子被冷却到接近绝对零度,并保持住这个温度。

电子位于原子核周围的一定轨道上。每个轨道具有一个能级。现在,用激光(红光)照射锶原子,电子获得更高能级,从一个轨道跃迁到另一轨道,但他们又立即跃迁回正常轨道。红光再照锶原子,电子就在不同轨道之间来回跃迁——这就构成了原子钟的钟摆。

现在,原子钟是如此精确,以至于它每运行3亿年,误差仅一秒。但人们仍在努力使之更加精确。这将使原子钟可能应用于宇宙探索中的导航和天基光学技术中。使原子钟更加精确的难题在于控制激光使其具有足够精确的波长,来击中原子中的电子,使电子震荡具有非常高的准度和精度。

解决噪声问题

玻尔研究所超冷原子研究组组长汤姆森(Jan Thomsen)副教授解释说:“激光虽被稳频,但它还是有点波动,产生了噪声。因为噪声,所以就同时存在多个波长。我们用一面反射镜将有噪声的光送到“谐振器”上。这个“谐振器”由两面连在一起的反射镜组成,能允许特定波长的光通过,而其余波长的光都不能通过。这样的一个分选(sorting)机制,就使激光波长变得更精确了。至此,每个人本应都感到高兴的。接下来的问题是:镜子存在轻微振动——镜子中的原子振动导致了无法回避的稳定性局限。为什么我们不尝试改变我们的思维定势,将整个事情逆向思考呢?”

于是,这些研究人员反其道而行之:不是试图进一步去稳定镜子,而是决定完全忽略镜子振动。他们决定在激光和谐振腔两面反射镜之间加入某种可起滤波器作用的“东西”。

滤波器由一个真空腔和置于两反射镜间的超冷锶原子组成。锶是一种很“苛刻”的原子,只与特定波长的光发生互作用。光在两面反射镜之间来回反射,即使这两面反射镜因室温变化而有轻微振动,光也不会受到影响,这是因为主要靠的是冷原子在筛选波长。

汤姆森指出,这项技术可以用比以往简单得多的方法使原子钟比以往更加精确。他说:“方法简单却有效。结果,激光束更精确、稳定,噪声降低了100倍。这就是说,我们研发了一项使用量子频率滤波器获得超精确激光束的技术。”(中国航天系统科学与工程研究院 姚保寅)
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