超辐射原子可以帮助我们比以往更精确地测量时间。在一项新的研究中，哥本哈根大学的研究人员提出了一种测量时间间隔(秒)的新方法，减轻了当今最先进的原子钟遇到的一些限制。这一结果可能对太空旅行、火山爆发和 GPS 系统等领域产生广泛影响。

与千克、米和开尔文度等其他基本单位相比，第二个是定义最精确的测量单位。目前，时间是通过世界各地不同地方的原子钟来测量的，它们一起告诉我们现在是什么时间。原子钟利用电波不断发送信号来同步我们的计算机、手机和手表。

振荡是保持时间的关键。在落地钟中，这些振荡来自摆锤每秒从一侧到另一侧的摆动，而在原子钟中，它是激光束，对应于锶的能量跃迁，每秒振荡约一百万亿次。

但根据尼尔斯·玻尔研究所的博士研究员艾略特·玻尔(尼尔斯·玻尔的曾孙)的说法，甚至原子钟也可以变得更加精确。这是因为大多数现代原子钟使用的探测激光来读取原子的振荡，将原子加热得太多以至于它们逸出——这降低了精度。

“由于原子不断需要被新的原子取代，而在准备新原子的同时，时钟的时间损失非常轻微。因此，我们正试图通过以下方式克服当前世界上最好的原子钟的一些挑战和局限性：除其他外，重复使用原子，这样它们就不需要经常更换，”艾略特·玻尔解释说，他在进行这项研究时受雇于尼尔斯·玻尔研究所，但现在是科罗拉多大学的博士研究员。

他是发表在科学杂志《自然通讯》上的一项新研究[链接]的主要作者，该研究使用了一种创新且可能更有效的时间测量方法。

超辐射和冷却至绝对零

目前的方法包括一个热炉​​，将大约 3 亿个锶原子喷射到一个非常冷的冷原子球中，称为磁光陷阱 (MOT)。这些原子的温度约为-273°C——非常接近绝对零——并且有两个镜子，它们之间有一个光场，以增强原子相互作用。玻尔与他的研究同事一起开发了一种读取原子的新方法。

“当原子落入真空室时，由于真空室非常冷，它们会处于完全静止的状态，这使得可以通过位于真空室两端的两面镜子记录它们的振荡，”艾略特·玻尔解释道。

研究人员之所以不需要用激光加热原子并摧毁它们，是因为一种被称为“超辐射”的量子物理现象。当锶原子团纠缠在一起并同时在两个镜子之间的场中发光时，就会发生这种现象。

“这些镜子使原子表现得像一个整体。它们共同发出强大的光信号，我们可以用它来读出原子状态，这是测量时间的关键一步。这种方法对原子的加热最小化，所以这一切都会发生无需替换原子，这有可能使其成为一种更精确的测量方法，”玻尔解释道。

GPS、太空任务和火山喷发

Eliot Bohr表示，新的研究成果可能有利于开发更精确的GPS系统。事实上，大约 30 颗卫星不断围绕地球运行并告诉我们所在位置，它们需要原子钟来测量时间。

“每当卫星确定你的手机或 GPS 的位置时，你就在使用卫星中的原子钟。原子钟的精度非常重要，如果原子钟偏差一微秒，就意味着大约 100 米的误差在地球表面，”艾略特·玻尔解释道。

研究人员预计更精确的原子钟会产生重大影响，未来的太空任务是另一个领域。

“当人和飞船被送入太空时，他们会冒险远离我们的卫星。因此，对太空导航的精确时间测量的要求要高得多，”他说。

这一结果也可能有助于开发新一代更小的便携式原子钟，这种原子钟的用途不仅仅是“仅仅”测量时间。

玻尔说：“原子钟对重力变化很敏感，因此可以用来检测地球质量和重力的变化，这可以帮助我们预测火山爆发和何时发生。”

玻尔强调，虽然使用超辐射原子的新方法非常有前途，但它仍然是一个需要进一步完善的“概念证明”。 。