一个高度精确的太赫兹分子钟
发布时间：2023-04-27 08:00:00 阅读数： 83
一个非常狭窄的振动分子共振的锐度（或质量系数）为三万亿。资料来源：K. H. Leung。
近年来，世界上许多物理学家推出了原子钟，即以原子的量子状态为基础的测量时间流逝的系统。这些时钟可以有许多有价值的应用，例如，在卫星和导航系统的发展中。
最近，一些研究人员也在探索开发分子钟的可能性，这些系统类似于原子钟，但以简单的分子为基础。哥伦比亚大学和华沙大学的一个团队最近创造了一个高度精确的分子钟，可用于研究新的物理现象。
"我们最近的论文是创建所谓的分子钟的多年努力的结果，"进行这项研究的研究人员之一Tanya Zelevinsky告诉Phys.org。"它的灵感来自于原子钟精度的快速进步，以及意识到分子钟依赖于不同的'滴答'机制，因此可能对互补现象敏感。其中之一是自然界的基本常数可能随着时间的推移发生非常微小的变化。另一个是非常小的物体之间的引力可能与我们在更大尺度上的体验不同"。
Zelevinsky和她的同事创建的分子钟是基于双原子分子Sr2，结构上类似于两个由弹簧连接的小球体。该钟特别使用这种分子的振动模式作为精确的频率参考，这反过来又使它能够跟踪时间。
研究人员使用的被分解成原子的超冷分子的图像。Credit: K. H. Leung
"Zelevinsky解释说："我们的时钟需要使用激光将原子冷却到绝对零度附近，并将它们保持在光学陷阱中，诱导它们结合成分子，然后用高度精确的'时钟'激光照射它们以进行实际测量。"分子钟的一些优点包括它对杂散磁场或电场的敏感性非常低，以及振动模式的自然寿命非常长。"
在发表于《物理评论X》的研究中，Zelevinsky和她的同事在一系列的测试中评估了他们的分子钟的精度，测量其所谓的系统不确定性。他们发现，他们提出的设计大大减少了误差来源，他们的时钟达到了4.6×10-14的总系统不确定性，表现出明显的高精度。
"Zelevinsky说："我们最近的工作为分子光谱学的精度设定了基准，观察到的峰值锐度或其质量系数为3万亿。"它还阐明了限制这一精度的影响，特别是分子通过散射它们被捕获的光而最终损失。这激励着我们去寻找光学诱捕策略的改进。"
目前，时钟共振位置随诱捕光的波长（彩色编码）的微小偏移限制了振动钟的准确性。资料来源：K. H. Leung。
这个研究小组创造的振动分子钟可以成为太赫兹频率应用的标准，同时也可能为创造新的分子光谱学工具提供参考。它的设计也可以被改变，用其他同位素变体（质量不同）取代Sr2分子，这可以帮助正在进行的对新物理相互作用的搜索。
"Zelevinsky补充说："在未来，我们希望应用分子钟来了解最高精度的分子结构，并研究纳米尺寸尺度上非牛顿引力的任何可能迹象。
