研究人员展示了一种新的光学原子钟，它使用单一激光并且不需要低温。通过大幅减少原子钟的体积和复杂性，而不牺牲准确性和稳定性，这一进展可能会导致高性能的紧凑型和便携式原子钟。
“在过去的二十年里，下一代原子钟的性能取得了许多重大进展，”亚利桑那大学的研究团队负责人杰森·琼斯说。“然而，这些系统中的许多并不适合在实际应用中使用。为了将这一先进技术带出实验室，我们采用了一种简化设计，其中单一频率梳激光既充当时钟的摆锤或滴答机制，又充当跟踪时间的齿轮系统。”
频率梳——一种发出成千上万种均匀间隔颜色或频率的激光——对原子钟和计时技术产生了革命性影响。在光学出版集团期刊《光学快报》中，琼斯和同事描述了一种光学原子钟，利用频率梳直接激发铷-87原子的双光子跃迁。他们表明，这种新设计达到了与传统使用两激光的光学原子钟相同的性能。
“这一进展还可以帮助增强基于卫星的原子钟的GPS网络，通过提升性能并使备份或替代钟表更易获取，”论文第一作者塞斯·埃里克森说。“这也是将高性能原子钟引入日常应用和人们日常生活的第一步，这可能会使电信网络能够非常快速地在不同对话之间切换。这将使许多人能够同时通过同一电信频道进行通信，并提高数据速率。”
简化高级计时
在光学钟中，用激光激发原子的能级使原子在特定能级之间跃迁。这些跃迁的精确频率充当时钟的“滴答”，允许高精度地测量时间。尽管已经开发出便携式芯片级光学原子钟，但最准确和稳定的光学钟使用被捕获在接近绝对零度的原子，以最小化原子运动，这可能会改变原子所经历的激光光频率。
为了避免对如此极端冷却的需求，琼斯和同事使用了需要吸收两个光子的原子能级——而不是一个光子——来跃迁到更高的能级。当光子从相对方向发送到原子时，某一个光子上的运动效应抵消了另一个光子上的运动效应。这使得能够使用高温（100°C）的原子，并且钟表设计显著简化。
“这项工作的一个重大创新是，我们不再使用单色激光从每个方向向原子发送光子，而是从频率梳中发送广泛的颜色，”琼斯说。“使用来自频率梳的不同颜色的正确光子对允许它们以与单色激光的两个光子相同的方式相加，从而以类似的方式激发原子。这消除了对单色激光的需求，进一步简化了原子钟。”
研究人员表示，商业频率梳和坚固的光纤组件（如布拉格光栅）在电信波长上的广泛可用性极大地促进了这一新设计的开发。他们使用光纤布拉格光栅将宽带频率梳光谱缩小到小于100 GHz，中心波长位于铷-87的跃迁。这个狭窄过滤的光谱增加了频率梳输出与铷-87原子的激发光谱之间的重叠。
钟表比较
为了测试这种新方法，研究人员将两种几乎相同的直接频率梳钟与传统钟进行比较，包括使用额外单频激光的传统钟。新钟显示出一致的性能，1秒时的不稳定性为1.9×10−13，并在2600秒时平均降至7.8(38)×10−15。这一性能与传统钟及其他使用单频激光架构的已发布结果相似。
研究人员现在正在努力改善他们的光学原子钟设计，使其更小，更稳定，并结合激光技术中的新进展。直接频率梳方法也可以与其他双光子原子跃迁一起使用，包括低噪声单频激光目前尚不可得的跃迁。
