超辐射原子能够帮助我们以前所未有的精度测量时间。在哥本哈根大学最近的一项研究中，研究人员开发了一种新的测量时间间隔（秒）的方法，这种方法克服了目前最先进原子钟面临的一些限制。

这一成就有望在多个领域产生深远影响，包括太空旅行、火山活动监测以及全球定位系统等。

相比于公斤、米和开尔文等其他基本单位，秒的定义达到了极高的精度。目前，全球分布的原子钟协同工作，为我们提供精确的时间。这些原子钟通过不断发射无线电波信号，使我们的电脑、手机和手表保持同步。

时间的精确保持依赖于“振荡”（oscillation）。在传统的老爷钟中，这种振荡源自钟摆的摆动；而在原子钟中，振荡则是由激光产生的，这些激光与锶原子的能量转换相匹配，频率高达每秒约一千亿次。

但据尼尔斯-玻尔研究所的博士研究员、尼尔斯·玻尔的曾孙Eliot Bohr说，即使是原子钟也可以变得更加精确。这是因为大多数现代原子钟用来读取原子振荡的探测激光会使原子受热过多，以至于原子逃逸，从而降低了精确度。

“因为在准备新原子的过程中，原子需要不断被新的原子替换，所以时钟会有轻微的时间损失。因此，我们正试图克服目前世界上最好的原子钟所面临的一些挑战和局限性，方法之一就是重复使用原子，这样就不需要经常更换了。”Bohr解释说，他在从事这项研究时受雇于尼尔斯-玻尔研究所，现在是科罗拉多大学的博士研究员。

他是发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的一项新研究的主要作者，这项研究采用了一种创新的、也许更有效的测量时间的方法。

实验概述

Eliot Bohr（左）和同事Sofus Laguna Kristensen在尼尔斯-玻尔研究所开始实验

中间的发光球被称为“磁光陷阱”（MOT），由悬浮在真空室中的约3亿个锶原子组成，真空室冷却到略高于绝对零度。研究人员利用这个陷阱开发了测量时间的新技术

目前的技术包括使用一个“热烤箱”，将约3亿个锶原子喷射进一个极度寒冷的冷原子球中，即磁光陷阱（MOT）。在这一过程中，原子的温度降至接近绝对零度（零下273摄氏度）。原子被两面光场镜子包围，以增强它们之间的相互作用。

Bohr与他的研究团队开发了一种新的读取原子的技术。

Bohr解释道：“当原子进入真空室，由于环境温度极低，它们会停止运动，允许我们通过真空室两端的镜子来记录它们的振荡。”

这种技术无需通过激光加热并破坏原子，因为利用了一种称为“超辐射”（superradiance）的量子物理现象。当一组锶原子在两面镜子间的场中纠缠并同时发射光线时，就会触发此现象。

“镜子使得原子表现得像一个整体，它们一起发出强烈的光信号。我们可以利用这个信号来读取原子状态，这是测量时间的关键。”Bohr补充道：“这种方法对原子的加热非常轻微，因此可以在不需要更换原子的情况下完成所有操作，这可能使其成为一种更精确的测量方法。”

亚辐射到超辐射阈值

集体增强型拉姆齐（Ramsey）光谱仪

“接连的”拉姆齐对频率辨别（Subsequent Ramsey interrogations for frequency discrimination）

Bohr认为，这项新的研究成果可能推动全球定位系统的精确度达到新高。实际上，大约30颗卫星不断环绕地球运行，为我们提供位置信息，它们依赖原子钟来测量时间。

“每次卫星确定你的手机或全球定位系统的位置时，你实际上就在利用卫星中的原子钟。原子钟的精度极为关键，原子钟偏差一微秒，可能导致地球表面定位误差高达100米。”Bohr解释道。

研究人员预见，未来的太空任务也将从更精确的原子钟中获益显著。

“当人类及其探测器进入太空时，它们将远离我们的卫星。因此，太空导航对精确的时间测量需求更为迫切。”他补充道。

此外，这项研究还有助于开发新一代的小型便携式原子钟，这些原子钟的功能远不止于“测量”时间。

“原子钟对引力的微小变化非常敏感，因此它们可以被用来检测地球质量和引力的变化，这对于预测火山爆发和地震的发生时间非常有帮助。”Bohr指出。

然而，Bohr也强调，虽然利用超辐射原子的新方法极具前景，但它目前仍处于“概念验证”阶段，需要进一步的完善和发展。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2024-04-superradiant-atoms-boundaries-precisely.html

[2]https://www.spacedaily.com/reports/Superradiant_atoms_enhance_time_measurement_precision_999.html

[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2024/04/240422120623.htm

[4]https://www.miragenews.com/superradiant-atoms-may-enhance-precision-of-1220353/