威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家制造了有史以来性能最高的原子钟之一。

他们的仪器被称为光学晶格原子钟，可以测量时间差异，其精度相当于每 3000 亿年损失一秒，是“多路复用”光学时钟的第一个例子，其中可以存在六个独立的时钟。相同的环境。它的设计使团队能够测试寻找引力波的方法，尝试探测暗物质，并用时钟发现新的物理学。

“光学晶格时钟已经是世界上最好的时钟，在这里我们获得了前所未有的性能水平，”威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授、该研究的资深作者 Shimon Kolkowitz 说。“我们正在努力提高它们的性能，并开发由这种改进的性能支持的新兴应用程序。”

原子钟之所以如此精确，是因为它们利用了原子的基本特性：当电子改变能级时，它会吸收或发射频率与特定元素的所有原子相同的光。光学原子钟通过使用精确匹配该频率的激光器来保持时间，并且它们需要世界上最先进的一些激光器来保持准确的时间。

创建本研究中使用的光学原子钟的第一步是在真空室中将锶原子冷却到接近绝对零，这使得它们看起来像一个漂浮在室内的发光的蓝色球。

相比之下，科尔科维茨的团队拥有“一个相对糟糕的激光器”，他说，所以他们知道他们制造的任何时钟都不会是最准确或最精确的。但他们也知道，光时钟的许多下游应用都需要像他们这样的便携式商用激光器。设计一个可以使用普通激光的时钟将是一个福音。

在他们的新研究中，他们创造了一个多路复用时钟，其中锶原子可以被分成多个时钟，在同一个真空室中排列成一条线。仅使用一个原子钟，研究小组发现他们的激光只能在十分之一秒内可靠地激发相同数量原子中的电子。

然而，当他们将激光同时照射在室内的两个时钟上并进行比较时，两个时钟之间具有激发电子的原子数量保持不变长达 26 秒。他们的结果意味着他们可以进行有意义的实验，比他们的激光在正常光学时钟中允许的时间长得多。

“通常，我们的激光器会限制这些时钟的性能，”科尔科维茨说。“但由于时钟处于相同的环境中并经历完全相同的激光，因此激光的效果完全消失了。”

该小组接下来询问他们如何精确地测量时钟之间的差异。根据重力、磁场或其他条件，处于略微不同环境中的两组原子将以略微不同的速率滴答作响。

他们进行了一千多次实验，测量了两个时钟的滴答频率差异，总共大约三个小时。正如预期的那样，由于时钟位于两个略有不同的位置，所以滴答声也略有不同。该团队证明，随着他们进行越来越多的测量，他们能够更好地测量这些差异。

最终，研究人员可以检测到两个时钟之间的滴答率差异，这对应于它们每 3000 亿年仅相差一秒——这是一种精确计时的测量，为两个空间分离的时钟创造了世界纪录。

如果不是另一篇发表在同一期《自然》杂志上的论文，这也将是总体最精确频率差异的世界纪录。这项研究由科罗拉多州研究机构 JILA 的一个小组领导。JILA 小组检测到的分散原子云顶部和底部之间的频率差异比 UW-Madison 小组好 10 倍左右。

他们的结果以一毫米的距离获得，也代表了迄今为止爱因斯坦的广义相对论用时钟测试的最短距离。Kolkowitz 的小组预计很快就会进行类似的测试。

“令人惊奇的是，我们展示了与 JILA 小组相似的性能，尽管我们使用的激光质量差一个数量级，”Kolkowitz 说。“这对于许多实际应用来说非常重要，我们的激光器看起来更像是您将带入该领域的激光器。”

为了展示他们时钟的潜在应用，Kolkowitz 的团队在一个循环中比较了每对六个多路复用时钟之间的频率变化。他们发现，当他们返回到循环中的第一个时钟时，差异加起来为零，这证实了他们测量的一致性，并建立了他们可以检测到该网络中微小频率变化的可能性。

“想象一团暗物质穿过一个时钟网络——我有没有办法在这些比较中看到暗物质？” 科尔科维茨问道。“这是我们现在可以做的实验，而你在以前的任何实验系统中都做不到。”