I.简介 638 A.原子频率标准和时钟的成分 638 B.频率标准的特性 639 C. 论文范围 639 II.时钟的要求:具有高频、窄线共振的量子系统 639 A.稳定性 639 B. 高频时钟候选者 640 C. 系统效应 641 1.环境扰动 641 a.磁场 641 b.电场 641 2.相对论性偏移 642 a. 多普勒频移 643 b. 引力红移 643 III.光谱纯且稳定的光振荡器 643 A. 激光稳定技术 643 B.稳定光源的远程分布 644 C. 稳定光源的光谱分布 645 IV.光学标准的测量技术 646 A.时钟周期和询问方案 646 B.原子噪声过程 647 C. 激光稳定原子共振 648 V. 捕获离子光频标准 649 A. 捕获离子 650 1.Paul 阱 651 2.线性离子阱 651 B. 冷却技术和 Lamb-Dicke 机制 653 C. 捕获离子的系统频率偏移 653 1.运动引起的偏移 653 2.塞曼效应 654 3.四极偏移 654
利用时间来增加空间/时间和频率信息 — 批发和零售/时间传播/未来的时钟/原子的内部节拍器/比光更快的粒子 — 题外话/未来的时间尺度/标签问题 — 一秒就是一秒/时间
摘要 我们回顾了光学原子钟和频率传输的实验进展,并考虑了将这些技术用于大地测量的前景。今天,光学原子频率标准已经达到了 10 − 17 以下的相对频率误差,开辟了基础研究和应用研究的新领域。原子频率对引力势的依赖性使原子钟成为寻找爱因斯坦广义相对论预测偏差、测试现代统一理论和开发新型重力场传感器的理想候选者。在本综述中,我们介绍了光学原子钟的概念,并介绍了国际时钟开发和比较的现状。除了进一步提高当今最佳时钟的稳定性和准确性之外,我们还投入了大量精力来提高紧凑、便携设备的可靠性和技术准备度,以适应专业实验室以外的应用。相对频率不确定度为 10 − 18 ,预计光学频率标准的比较将与卫星和地面数据一起,以厘米级分辨率精确确定大地测量学中的基本高度参考系统。原子标准的长期稳定性将为大地测量以及对地球的建模和理解提供出色的长期高度参考。
英国计量研究所操作该时钟并通过 150 公里的玻璃光纤链路将其频率传输到位于都灵的意大利国家计量研究所 INRIM,在那里使用第二台原子钟测量锶钟的频率。在 INRIM 对两个时钟进行第二次(后续)比较后,可以通过 LSM 和 INRIM 之间的高度差(约 1000 米)确定锶钟的频率变化。相对频率变化约为然后观察到 1 · 10 –13。通过将频率变化乘以光速的平方,可以得到潜在的电位变化。汉诺威大学此前已利用传统的测地线测量方法测定了重力势能的确切差异。两次测量的结果一致。
英国计量研究所操作该时钟并通过 150 公里的玻璃光纤链路将其频率传输到位于都灵的意大利国家计量研究所 INRIM,在那里使用第二台原子钟测量锶钟的频率。在 INRIM 对两个时钟进行第二次(后续)比较后,可以通过 LSM 和 INRIM 之间的高度差(约 1000 米)确定锶钟的频率变化。相对频率变化约为然后观察到 1 · 10 –13。通过将频率变化乘以光速的平方,可以得到潜在的电位变化。汉诺威大学此前已利用传统的测地线测量方法测定了重力势能的确切差异。两次测量的结果一致。
第三阶段物理组件(上图 1(b))保留了第二阶段设计的许多成功特性(来自 [3],如图 1(a) 所示)。加热谐振单元组件由张紧聚酰亚胺“系绳”支撑,这些系绳在机械坚固的配置中提供非凡的热隔离(7000°C/W)。使用传统的光刻技术将谐振单元组件的电气连接以及加热器本身图案化到聚酰亚胺上,以便(导热、金属)迹线的尺寸由电气要求而非机械要求决定,从而最大限度地减少通过电子连接的热损失。共振腔本身由 Pyrex ® 窗口阳极键合到穿孔硅晶片制成,除了温度补偿缓冲气体混合物外,还含有少量金属铯,从第二阶段到第三阶段的演变过程中也没有变化。
我们开发了一种非标准的原子钟概念,其中黑体辐射偏移 (BBRS) 及其温度波动可以显著抑制(抑制一到三个数量级),而与环境温度无关。抑制基于这样一个事实:在具有两个可访问时钟跃迁(频率为 ν 1 和 ν 2 )且暴露于相同热环境的系统中,存在一个“合成”频率 ν syn ∝ ( ν 1 − ε 12 ν 2 ),该频率基本不受 BBRS 的影响。例如,对于 171 Yb +,可以创建一个时钟,其中 BBRS 可以在接近室温(300 ± 15 K)的较宽间隔内被抑制到 10 − 18 的分数水平。我们还提出了一种使用稳定在 ν 1 和 ν 2 频率的光频率梳发生器来实现我们的方法。这里频率 ν syn 作为梳状谱的组成部分之一产生,可以用作原子标准。
抽象时间无处不在,并且是我们日常生活不可或缺的一部分。时间间隔的精确度量是人类依赖的各种活动的基础,例如使用卫星导航,电信,航空,国际时间的定义,使用定位,军事申请的次要申请等准确定位等。原子钟提出了精确的时间测量的核心,因此使定位,导航以及我们直接或其他方式依赖的时间和频率相关技术。本文详细概述了时间测量的历史和朝向原子时钟的演变。它广泛涵盖了从实验室时钟到微型商业时钟的各种类型的原子时钟以及关注微波原子时钟(或频率标准)的关键应用。此外,各个国家 /地区在全球范围内运行的卫星导航系统以及用于此类导航系统的时钟类型被简要介绍,重点是Rubidium Atomic频率标准和其他空间时钟。
○ Meyer, V. 等人。利用捕获离子进行纠缠增强旋转角度估计的实验演示。Phys. Rev. Lett. 86, 5870–5873 ( 2001 )。○ Pedrozo-Peñafiel, E. 等人。光学原子钟跃迁中的纠缠。Nature 588, 414–418 ( 2020 )。
第三阶段物理组件(上图 1(b))保留了第二阶段设计的许多成功特性(来自 [3],如图 1(a) 所示)。加热谐振单元组件由张紧聚酰亚胺“系绳”支撑,这些系绳在机械坚固的配置中提供非凡的热隔离(7000°C/W)。使用传统的光刻技术将谐振单元组件的电气连接以及加热器本身图案化到聚酰亚胺上,以便(导热、金属)迹线的尺寸由电气要求而非机械要求决定,从而最大限度地减少通过电子连接的热损失。共振腔本身由 Pyrex ® 窗口阳极键合到穿孔硅晶片制成,除了温度补偿缓冲气体混合物外,还含有少量金属铯,从第二阶段到第三阶段的演变过程中也没有变化。