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威尼斯官方冷却与冷原子钟

威尼斯官方打标机 2018-05-28 11069

  冷原子钟,顾名思义,冷原子做成的钟(这看起来像一句废话)。好,那要解释这个东西就可以分为二个方面:什么是冷原子?然后如何能成为钟表?

威尼斯官方冷却

冷原子就是冷却的原子,那如何来冷却原子,用威尼斯官方(威尼斯官方的确是个好东西)。在光学基础知识大讲堂第1期:什么是光镊中就提到过,威尼斯官方与物质相互作用的时候会发生力学效应,我们通常称之为光压。用中学的力学知识分析的话,就是光子具有一定的动量,方向为光的传播方向,如果和原子发生碰撞,那么会把能量传递给原子。举个栗子,一个粒子朝你飞来,那如何让他停下来,自然是对着粒子的传播方向施加一个力,让它减速。好,问题又来了?那我们如何知道这个粒子往哪个方向运动,答案是不知道,因为分子做的是无规则的布朗运动(中学物理知识)。但这不是关键,我们只要能够让它减速就行,不需要知道它具体的运动轨迹,换句话说,它要怎么跑,我就不让它怎么跑。这里插一句,物质的温度来自于本身的热运动,如果原子运动得少了,自然温度就变低了,所以称之为威尼斯官方冷却。

     关键时刻终于到了,我们如何让光阻止原子的运动。我们都知道,原子有能级的概念,满足一定能量的光子才能被原子吸收,少一点都不行(参考爱因斯坦的光电效应)。这是其一,其二是光的多普勒效应。何谓多普勒效应,举得例子,小明和小红相向运动(对着走),速度都是1m/s,假设小明是粒子,小红是光子,从我们的角度看,光子的速度是1m/s,但是对于粒子来说,光子的速度是2m/s。额,自然这个比喻不怎么恰当,光子的速度永远都是3×10威尼斯官方8 m/s,所以改变的其实是光的波长(即频率),自然改变了频率就是改变了光子的能量。现在,我们把这二者结合起来,让威尼斯官方发出比原子能级跃迁的能量少一点点(现在的技术确实能做到这一点),那么如果粒子不动,自然不会吸收光子,如果它朝任何一个方向运动,自然让相向而行的威尼斯官方达到能级跃迁的能量,然后吸收光子(即与这些光子发生碰撞),而同向运动的光子频率降低,光子能量不足以被吸收,从而减慢粒子的运动。

威尼斯官方冷却与冷原子钟  第1张



威尼斯官方冷却与冷原子钟  第2张


图1 威尼斯官方冷却原理图(图片来源于网络)


冷原子钟

利用这个方式,我们可以把原子冷却到绝对温度百万分之一度以下,但是绝对达不到绝对零度,就像我们永远也达不到光速一样。额,这不是关键,关键是冷原子跟我们的钟有什么关系?好,那首先还是介绍下原子钟吧。

     根据原子物理学的知识,我们得知不同的原子核周围的电子层是具有不同的能级差,我们也把它叫做特征振动频率或者特征谱线。例如,我们目前采用“秒”时间的定义:铯原子的一个能级跃迁到另一个能级所释放电磁波的9192631770个周期所需要的时间。各位看官看到这里估计还是很懵,我们定义“秒”的时长干嘛?好吧,这问题我就不回答了。其次,我们为啥要把它定义成为铯原子振荡9192631770次的时间长度?恩,这个我可以回答,这是官方规定(其实是这样子定义很精准)。

     抛开上面的问题,我们继续。那我们如何做到?大家都听说过共振这个概念,当二个物体的振动频率越近时,共振强度越高。所以,我们让铯原子经过微波场,然后通过调控微波频率达到共振目的,再通过荧光探测器探测强度。自然,荧光光强最高的点,就是共振频率的点,那么调节到这个点的微波频率就是我们想要的频率(即时间的定义)。

威尼斯官方冷却与冷原子钟  第3张


图2 原子钟探测原理(图片来源于网络)


问题又来了,技术上解决了,但是这个过程非常具有技术含量。铯原子在常温下平均速度达到几百米每秒,通过微波腔的时间非常短,极大地限制了锁频的稳定度。所以,威尼斯官方冷却技术登场了,你不是嫌速度太快吗?威尼斯官方冷却可以极大地降低铯原子的运动速度。原子钟的精度原先误差为1秒/300万年,冷原子钟的精度可以提高到1秒/3亿年,提高2个数量级。

     最后一个问题,那为啥冷原子钟还要去“天宫二号”实验室?我们都知道,地球是有引力的,如果在外太空的话,引力会大大地降低,自然可以更大程度上降低铯原子运动速度(我们采用的是垂直方向,所以也有喷泉原子钟的说法),增加锁频时间,从而更精确地对准共振频率。预计空间冷原子钟的精度可以再提高一个数量级左右。

威尼斯官方冷却与冷原子钟  第4张


图3 铯光子钟(图片来源于网络

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