在《今日科学》杂志上发表的一项新研究中，JILA和NIST(美国国家标准与技术研究所)研究员JunYe及其研究团队在理解原子钟(最精确的时钟)内复杂且集体的光原子相互作用方面迈出了重要一步在宇宙中。

研究人员使用立方晶格测量了锶87原子阵列内由于偶极子-偶极子相互作用而产生的特定能量变化。由于原子密度较高，这些mHz级的频移(称为协同兰姆频移)经过光谱研究。对这些位移进行了空间研究，并使用本实验中开发的成像光谱技术与计算值进行比较。

这些协同兰姆位移是因为在紧密限制的空间中存在许多相同原子会改变它们周围的电磁模式结构而得名的，随着时钟中原子数量的不断增长，这些位移是一个重要因素。

“如果你能够理解和控制这个网格中高密度的相互作用，你总是可以使网格变得越来越大，”该论文的第二作者、JILA研究生WilliamMilner解释道。“这是一种本质上可扩展的技术，对于提高时钟性能非常重要。”

立方体中的时间

原子钟长期以来被认为是精确度的顶峰，其工作原理是测量原子吸收或发射的光的频率。这些时钟的每一次滴答声都受到这些原子内电子量子叠加振荡的控制，并受到探测激光相应能量的刺激。激光将原子激发到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，仅沿着一个强限制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原子放置在立方体排列中来限制原子在各个方向上的运动。虽然使用3D晶格是一种有吸引力的时钟几何结构，但它还需要制备超冷原子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，粒子的空间排列严重影响它们的行为。立方晶格具有均匀性和平衡性，创造了一个受控环境，可以以前所未有的精度观察和操纵原子相互作用。

观察偶极子-偶极子相互作用

RossHutson(最近的JILA博士毕业生)、Milner和Ye实验室的其他研究人员利用立方晶格，能够促进和测量锶原子之间的偶极子相互作用。这些偏移通常很小以至于可以被忽略，是由在两个时钟状态的叠加中准备时表现为偶极子的原子之间的集体干扰引起的。

由于立方晶格内原子的空间排序会影响偶极耦合，因此研究人员可以通过操纵时钟激光器相对于晶格的角度来放大或减弱偶极相互作用。研究人员以特殊角度(布拉格角)进行操作，预计会有强烈的相长干扰，并观察到相应较大的频移。

寻找合作性羔羊轮班

随着晶格内发生更强的偶极子-偶极子相互作用，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变化。

这些能量转变，或协同兰姆转变，是非常小的影响，通常很难检测到。当许多原子聚集在一起时，例如在立方时钟晶格中，这些移位成为一个集体事件，并通过新实现的时钟测量精度来揭示。如果不加控制，它们会影响原子钟的准确性。

“这些[转变]最初是在2004年提出的，作为[时钟精度]需要担心的未来问题，”米尔纳补充道。“现在，它们突然变得更加相关(当你向晶格中添加更多原子时)。”

好像测量这些位移还不够有趣，更有趣的是，研究人员发现合作的兰姆位移在整个晶格中并不均匀，而是根据每个原子的具体位置而变化。

这种局部变化对于时钟测量来说非常重要：它意味着原子振荡的频率以及因此时钟的“滴答声”可能在晶格的一个部分与另一部分略有不同。随着研究人员努力提高计时精度，协作兰姆位移的这种空间依赖性是一个需要理解的重要系统位移。

“通过测量这些变化并查看它们与我们的预测值一致，我们可以校准时钟以使其更加准确，”米尔纳说。

通过测量，研究小组意识到协作兰姆位移与时钟探针激光在晶格内的传播方向之间存在密切联系。这种关系使他们能够找到观察到“零交叉”并且频移符号从正转变为负的特定角度。

“这是一种特殊的量子态，经历零集体兰姆位移(基态和激发态的相等叠加)，”JILA研究生严凌峰解释道。通过研究相对于立方晶格的激光传播角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鲁棒。

探索其他物理

除了控制和最小化立方晶格中的这些偶极子-偶极子相互作用之外，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。

米尔纳解释说：“因为有这些相互作用的偶极子，所以发生了一些非常有趣的物理现象，所以人们，比如罗斯·赫特森，甚至有可能利用这些偶极子-偶极子相互作用进行自旋挤压(一种量子纠缠)来制造更好的时钟。”

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