高精度太赫兹分子钟

近年来，世界各地的许多物理学家都引入了原子钟，这是一种基于原子量子态来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开发中。

最近，一些研究人员也一直在探索分子钟的可能发展，这种系统类似于原子钟，但基于简单的分子。哥伦比亚大学和华沙大学的一个团队最近创建了一个高度精确的分子钟，可用于研究新的物理现象。

“我们最近的论文是多年努力创造所谓分子钟的结果，”进行这项研究的研究人员之一TanyaZelevinsky告诉Phys.org。“它的灵感来自原子钟精度的快速进步，以及分子钟依赖于不同的‘滴答’机制，因此可能对互补现象敏感的认识。其中之一是自然界的基本常数可能会随着时间的推移发生非常轻微的变化。另一种可能性是非常小的物体之间的引力可能与我们在更大尺度上所经历的不同。”

Zelevinsky和她的同事创建的分子钟基于双原子分子Sr2，在结构上类似于两个由弹簧连接的小球体。时钟专门使用该分子的振动模式作为精确的频率参考，从而使其能够跟踪时间。

“我们的时钟需要使用激光来冷却接近绝对零的原子并将它们保持在光阱中，诱导它们结合成分子，并向它们发射高精度的‘时钟’激光以实际进行测量，”Zelevinsky解释道。“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。”

在他们发表在PhysicalReviewX上的研究中，Zelevinsky和她的同事在一系列测试中评估了他们分子钟的精度，测量了其所谓的系统不确定性。他们发现，他们提出的设计极大地减少了误差源，并且他们的时钟实现了4.6×10-14的总系统不确定性，表现出非常高的精度。

“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品质因数为3万亿，”Zelevinsky说。“它还阐明了限制这种精度的影响，特别是分子最终会因被困在其中的光的散射而损失。这激发了我们寻找光学捕获策略的改进。”

时钟共振位置随俘获光波长(颜色编码)的微小偏移目前限制了振动时钟的准确性。图片来源：KHLeung。

由这组研究人员创建的振动分子钟可以成为太赫兹频率应用的标准，同时也可能为新分子光谱工具的创建提供信息。它的设计也可以改变，用其他同位素变体(具有不同的质量)代替Sr2分子，这可以帮助正在进行的寻找新的物理相互作用。

“在未来，我们希望应用分子钟以最高精度理解分子结构，并在纳米尺度上研究任何可能的非牛顿引力特征，”Zelevinsky补充道。

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