晶格上的原子偶极子相互作用产生可观察到的空间变化频移(显示为蓝色到红色)。资料来源:Steven Burrows/Ye Group
在开创性的研究中，JILA和NIST的科学家们通过研究立方晶格中锶-87原子的合作兰姆位移，增强了对原子钟精度的理解。
在1月25日发表在《科学》杂志上的一项新研究中，JILA和NIST(美国国家标准与技术研究院)研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授叶军和他的研究团队在理解原子钟(宇宙中最精确的时钟)内复杂的集体光原子相互作用方面迈出了重要一步。
利用立方晶格，研究人员测量了由于偶极子-偶极子相互作用而导致的锶-87原子阵列内的特定能量位移。在原子密度很高的情况下，这些mhz级的频移——被称为协同兰姆频移——被光谱研究了。这些位移在空间上进行了研究，并使用本实验开发的成像光谱技术与计算值进行了比较。
这些协同的兰姆位移之所以被命名，是因为许多相同的原子在一个紧密受限的空间中存在，改变了它们周围的电磁模式结构。随着时钟中原子数量的不断增加，兰姆位移是一个重要的因素。
“如果你能理解并控制网格中高密度的相互作用，你就能让网格变得越来越大，”JILA研究生威廉·米尔纳(William Milner)解释说，他是该论文的第二作者。“这是一种固有的可扩展技术，对提高时钟性能很重要。”
立方体中的时间
原子钟长期以来被认为是精度的顶峰，它的工作原理是测量原子吸收或发射的光的频率。这些时钟的每一次滴答都是由这些原子内电子量子叠加的振荡所控制的，这些振荡是由探测激光的相应能量所激发的。激光激发原子进入一种称为时钟态的量子态。
虽然更传统的光学晶格时钟使用一维光学晶格，仅沿一个强烈限制方向抑制原子的运动，但本研究中使用的锶量子气体时钟通过将原子置于立方体排列来限制原子在所有方向上的运动。虽然使用3D晶格是一个有吸引力的时钟几何，但它也需要准备一个超冷的原子量子气体，并小心地将它们加载到晶格中。
米尔纳解释说:“它更复杂，但它有一些独特的好处，因为系统具有更多的量子特性。”
在量子物理学中，粒子的空间排列严重影响它们的行为。由于其均匀性和平衡性，立方晶格创造了一个可控的环境，在这个环境中，原子的相互作用可以以前所未有的精度被观察和操纵。
观察偶极-偶极相互作用
利用立方晶格，罗斯·赫特森(JILA最近的博士研究生)、米尔纳和叶实验室的其他研究人员能够促进和测量锶原子之间的偶极子-偶极子相互作用。这些变化，通常是如此之小，以至于被忽略了，是由在两个时钟状态的叠加中准备时，表现为偶极子的原子之间的集体干涉引起的。
由于立方晶格内原子的空间顺序影响偶极耦合，研究人员可以通过操纵时钟激光相对于晶格的角度来放大或减小偶极相互作用。在一个特殊的角度——布拉格角——下，研究人员预计会有很强的相振干涉，并观察到相应的更大的频移。
看看合作羔羊轮班
随着晶格内发生更强的偶极子-偶极子相互作用，研究人员发现这些相互作用在整个时钟系统中产生了局部能量转移。
这些能量转移，或合作兰姆转移，是非常小的影响，通常很难检测到。当许多原子聚集在一起时，例如在一个立方时钟晶格中，这些位移就变成了一个集体事件，并通过新实现的时钟测量精度来揭示。如果不加以控制，它们会影响原子钟的准确性。
米尔纳补充道:“早在2004年，这些(班次)最初就被提出，作为一种未来主义的东西，让人担心(时钟的准确性)。”“现在，当你向晶格中添加更多原子时，它们突然变得更相关了。”
似乎测量这些移动还不够有趣，更有趣的是，研究人员发现合作的兰姆移动在整个晶格中并不均匀，而是根据每个原子的特定位置而变化。
这种局部变化对于时钟测量意义重大:它意味着原子振荡的频率，因此时钟的“滴答声”，可能在晶格的一个部分与另一个部分略有不同。随着研究人员努力提高计时精度，这种合作兰姆位移的空间依赖性是需要理解的重要系统位移。
米尔纳说:“通过测量这些变化，并看到它们与我们的预测值一致，我们可以校准时钟，使其更加准确。”
从他们的测量中，研究小组意识到，在合作的兰姆位移和晶格内时钟探针激光的传播方向之间存在着密切的联系。这种关系使他们能够找到一个特定的角度，在那里可以观察到“零交叉”，并且频率移的符号从正变为负。
“这是一种特殊的量子态，它经历了零集体兰姆位移(基态和激发态的相等叠加)，”JILA研究生闫凌峰解释说。研究相对于立方晶格的激光传播角和合作的兰姆位移之间的联系，使研究人员能够进一步微调时钟，使其更能抵抗这些能量位移。
探索其他物理
除了控制和最小化立方晶格中的这些偶极子-偶极子相互作用之外，JILA的研究人员希望利用这些相互作用来探索他们的时钟系统中的多体物理。
“有一些非常有趣的物理现象正在发生，因为你有这些相互作用的偶极子，”米尔纳解释说，“所以像罗斯·赫特森这样的人，甚至有可能利用这些偶极子-偶极子相互作用进行自旋压缩(一种量子纠缠)，以制造更好的时钟。”
参考文献:“光学原子钟中毫赫级合作Lamb位移的观测”，作者:Ross B. Hutson, William R. Milner，闫凌峰，叶军，Christian Sanner, 2024年1月25日，Science。DOI: 10.1126 / science.adh4477
这项工作得到了美国能源部国家量子信息科学研究中心量子系统加速器的支持;以及美国国家科学基金会(NSF)量子飞跃挑战研究所和美国国家标准与技术研究所(NIST)。
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