偶极-偶极相互作用：观察新的时钟系统位移
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）。图片来源：Steven Burrows/Ye Group
在今天发表在《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Jun Ye和他的研究团队在理解原子钟（宇宙中最精确的时钟）中复杂而集体的光原子相互作用方面迈出了重要一步。
使用立方晶格，研究人员测量了由于偶极-偶极相互作用导致的锶-87原子阵列内的比能量位移。在原子密度高的情况下，这些mHz级频移（称为协同兰姆频移）被光谱学研究。这些位移在空间上进行了研究，并使用本实验中开发的成像光谱技术与计算值进行了比较。
这些合作的兰姆位移，之所以得名，是因为在一个紧密限制的空间中存在许多相同的原子，改变了它们周围的电磁模式结构，随着时钟中原子数量的持续增长，这是一个重要因素。
“如果你能理解和控制这个网格中高密度的这些相互作用，你总是可以使网格越来越大，”该论文的第二作者、JILA研究生William Milner解释道。“这是一种固有的可扩展技术，对于提高时钟性能非常重要。
立方体中的时间
原子钟长期以来一直被认为是精度的巅峰之作，其工作原理是测量原子吸收或发射的光的频率。这些时钟的每个滴答声都由这些原子内电子的量子叠加振荡控制，并由探测激光的相应能量刺激。激光将原子激发成称为时钟态的量子态。
虽然更传统的光学晶格钟使用一维光学晶格，仅沿一个强约束方向抑制原子的运动，但本研究中使用的锶量子气体钟通过将它们放置在立方排列中来限制原子在各个方向上。虽然使用 3D 晶格是一种有吸引力的时钟几何形状，但它也需要制备原子的超冷量子气体并小心地将它们加载到晶格中。
“它更复杂，但它有一些独特的好处，因为该系统具有更多的量子特性，”米尔纳解释道。
在量子物理学中，粒子的空间排列对它们的行为有关键影响。凭借其均匀性和平衡性，立方晶格创造了一个可控环境，在这个环境中，原子相互作用是可观察和可操纵的，具有前所未有的精度。
观察偶极-偶极相互作用
使用立方晶格，Ross Hutson（最近的JILA博士毕业生），Milner和Ye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-偶极相互作用。这些位移通常很小，以至于被忽略了，它们是由原子之间的集体干涉引起的，当它们在两个时钟状态的叠加态中制备时，它们表现为偶极子。
由于立方晶格内原子的空间顺序会影响偶极耦合，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少偶极相互作用。研究人员以一个特殊的角度（布拉格角）工作，预计会有强烈的建设性干扰，并观察到相应的更大的频移。
看看合作的羔羊班次
随着晶格内发生更强的偶极-偶极相互作用，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，或合作的羔羊转移，是非常小的影响，通常很难被发现。当许多原子被分组时，例如在立方时钟晶格中，这些偏移成为集体事件，并由新实现的时钟测量精度揭示出来。如果不加以控制，它们会影响原子钟的精度。
“这些（转变）最初是在2004年提出的，作为一个未来主义的事情，需要担心[时钟精度]，”米尔纳补充道。“现在，它们突然变得更加相关（当你在晶格中添加更多的原子时）。
似乎测量这些位移还不够有趣，更有趣的是，研究人员发现，协同的兰姆位移在晶格上并不均匀，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具有重要意义：它意味着原子振荡的频率，以及时钟的“滴答声”，可能从晶格的一部分到另一部分略有不同。合作羔羊移位的这种空间依赖性是一个重要的系统性移位，因为研究人员正在努力提高计时精度。
“通过测量这些偏移并看到它们与我们的预测值一致，我们可以校准时钟以使其更准确，”米尔纳说。
从他们的测量中，研究小组意识到合作的Lamb位移与晶格内时钟探针激光的传播方向之间存在密切联系。这种关系使他们能够找到一个特定的角度，在那里观察到“过零”，并且频移的符号从正变为负。
“这是一种特殊的量子态，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Lingfeng Yan解释道。通过研究激光传播角相对于立方晶格和协同兰姆位移之间的联系，研究人员可以进一步微调时钟，使其对这些能量位移更加稳健。
探索其他物理
除了控制和最小化立方晶格中的这些偶极-偶极相互作用外，JILA研究人员还希望利用这些相互作用来探索其时钟系统中的多体物理学。
“有一些非常有趣的物理学正在发生，因为你有这些相互作用的偶极子，”米尔纳解释道，“所以像罗斯·哈特森这样的人，甚至有可能利用这些偶极子-偶极子相互作用来制造更好的时钟。
更多信息：Ross B. Hutson 等人，光学原子钟中毫赫兹级合作兰姆位移的观测，科学（2024 年）。DOI： 10.1126/science.adh4477
期刊信息： Science
来自：量子梦