对于原子钟，他表示：「老百姓不会直接用到原子钟，但原子钟在生活中不可缺少。比如出门用到的 GPS 导航或北斗，包括远距离通信等，都会涉及到时间同步技术，因此需要原子钟来提供非常精准的时间。」
来源：DeepTech深科技，ID：deeptechchina
作者：多加
「叶军今年只有 40 岁，但已被国际同行公认为光学领域伟大的人物之一。」14 年前，光学企业德国蔡司公司，曾在其颁发的奖项蔡司研究奖颁奖词中写道。14 年眨眼间过去，就在几个月前，叶军和日本东京大学教授香取秀俊（Hidetoshi Katori）一并获得被誉为「科学界的奥斯卡」的科学突破奖（Breakthrough Prize）。每个项目奖金金额为 300 万美元，是目前全球奖金最高的科学大奖。这一次的颁奖词称：「他们各自将时间测量的精度提高了 3 个数量级。通过使用激光捕获、冷却和探测原子，制造出极其精确的量子时钟，如果运行 150 亿年，其误差不到一秒。」叶军是上海交大 1985 级校友、美国科罗拉多大学博尔德分校物理系教授、美国国家科学院院士，同时也是中科院外籍院士。中科院评价称：「叶军为中国物理学科的学术交流、人才培养和学科发展做出了重要贡献。」他曾基于在超冷原子、相位稳定激光等领域的突破，发展了世界上最精确的原子钟，做出了许多世界首创的科研工作。此前曾首次提出中性原子态-不敏感光阱的方法，使原子的内部和外部自由度精确分离，为实现高精度原子光钟奠定基础。对于原子钟，他表示：「老百姓不会直接用到原子钟，但原子钟在生活中不可缺少。比如出门用到的 GPS 导航或北斗，包括远距离通信等，都会涉及到时间同步技术，因此需要原子钟来提供非常精准的时间。」原子钟的原理在于，原子由原子核和核外电子组成，而核外电子处于不同的能量层，当电子吸收或释放能量时，就会发生跃迁，进而释放电磁波。对于电子跃迁时辐射电磁波的频率，原子钟可把其作为一种节拍器来计时。但是光学频率比微波频率范围要高 10 万倍，更高频率也意味着更高的计时精度。当电子从低能级跳到高能级，如果能级跃迁的频率差处于光学频率范围内，即可把它叫做光学原子钟。实现光学原子钟需要精确控制光与原子的相互作用。最早的原子钟使用微波波段，微波在二战以后逐渐为大家熟悉。而激光在 20 世纪 60 年代初才被发明，此后人们便使用激光来控制电子的跃迁，使跃迁的频率差和激光频率相匹配。匹配后，要把激发跃迁的激光频率测量准确，这就得使用现代技术，比如使用光学频率梳把它精准地测出来。另外，在做很精确的原子钟时，如果原子动来动去，那么根据相对论原理，就无法测出准确时间。所以要把原子冷却下来，例如放在一个阱里对其进行精确测量。图 | 二维光学晶格势中所示的原子，蓝色球体为原子（来源：https://zh.hrvwiki.net/wiki/Optical_lattice）
通过把原子从极高温度、冷却到极低温度，再使用激光囚禁原子的办法，让激光产生的驻波制造出一种光学陷阱，进而将原子囚禁在光学陷阱中，形成一种晶体结构即光学晶格。可以说，光学晶格钟涉及到原子物理中各方面的技术。做一台很精确的光学晶格原子钟，包含最精密的激光技术、量子调控技术、原子冷却以及多体物理研究等。因此，对于原子钟来说，一来它是一台精密测量仪器，二来它也是一台能发现很多新现象的实验装置。日常使用的钟表，最早是从单摆开始研究，它使用机械力来驱动单摆产生振荡。传统钟表由工匠完成制作，不过不同工匠所造的钟表时间精度自然也不一样。所以二战以后，当人们开始做原子钟时，发现涉及到许多量子力学知识，比如电子自旋和电子跃迁等。由量子力学可知，电子跃迁的能级差由原子的自然结构来决定。只要实验控制得好，做出来的钟无论放在何地，都能显示同样的时间。如前所述，最开始的原子钟使用微波频率，但随着频率逐渐升高到光波频率时，原子钟所测的时间精度也更准确。以微波原子钟为例，我们眨下眼睛可能只需一秒钟，但期间大约 100 亿个振荡已经过去，而使用光频原子钟，一秒即可振荡 10 万个 100 亿振荡。如果用单摆来做演示，这个光学单摆一秒钟内就能摆来摆去 1015 次，如果把每一次摆动都记下来，计时就会做得很准确。这也是为何要把原子钟的振荡频率，从微波频率提高到光学频率。好比使用一把尺，如果最小单位是厘米，那么测量误差就会止步于厘米，其他单位同理。叶军表示，在研究光学晶格钟时，难题在于如何测量出光学频率，因为它震荡得很快，使用一般的电子技术测不出来。所以他使用了光学频率梳技术，即曾于 2005 年获得诺贝尔物理学奖的技术。此外，当原子钟的跃迁震荡次数很快时，原子稍微动一下，测量误差就会很大。所以必须把原子静止下来，这时就要把它放到光学陷阱里面，将激光打进去与原子进行作用来做频率测量。原子必须事先用激光冷却到很低的温度，在一个势阱里它能很稳定地保存下来。同时，如果捕获的原子越多，信号就越强。但存在的问题是，当原子多起来后，它们会相互作用。如果有 1 万个原子碰来碰去，就会产生误差。这时就会面临量子多体物理的问题，因此要在多原子相互作用的过程中，去理解碰撞中的现象。相比原子钟的精度，光学晶格钟可提高至少三个数量级，因此很多课题组都在研究。在基础科学比较领先的国家，一般都拥有多台原子钟，欧洲几乎每个国家都有原子钟。在亚洲，中国，日本 和 韩国的不少科研院所也在研究原子钟。人们不仅在探索光学晶格钟本身，更多是专注于量子物理现象、多体物理和精密测量方法等，等于把近现代原子、分子、激光物理都结合在一起来推动科学技术的发展。另外，由广义相对论可知，时间和空间是结合在一起的。靠近质量大的物体的地方时间会变慢，因为空间会被扭曲，所以当时间可以被准确测量时，就能用它来测量周围的空间变化，比如质量变化、地下水位变化、冰川融化、海平面上升等，这些都是原子钟的测量应用。2020 年，叶军团队曾在三天内连发 Nature 和 Science 论文。Nature 的论文题为《反应分子的偶极蒸发至费米温度以下》（Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature）[2]。在该研究中，他将原子控制技术和理论扩展到分子层面。分子是比原子更复杂的一个物理系统，如能控制分子、即可控制材料生长和化学反应，从而提供比原子更多的复杂性和可控性。这也被称为冷分子研究，它和冷原子研究相辅相成。即同样的技术，可分别用于冷却原子和冷却分子。在该工作中，叶军团队在国际上首次实现量子简并气体。当把分子冷却到一定程度后，每个原子和分子都变成一个原子的波函数、分子的波函数，这些波函数和相邻的波函数会出现重叠。所以不能把它们看成是单个分子或单个原子，而应看成多体系统。因为把原子或分子冷却到很低温度后，它们就会变成德布罗意波描述的状态，即一个量子波函数。当这些波函数互相重叠时，说明每个分子都能感受到其他分子对它的作用。叶军把其称为电子简并气体，在实现第一个量子简并气体后，也意味着可以控制分子与分子之间的超距离作用，因为它们具有电偶极矩，无需碰撞即可发生作用，此外电偶极矩也能通过长距离进行作用。所以要通过分子控制来实现一些奇特的量子材料，然后用它来实现量子现象，而这些在平常物质里是看不到的。另据悉，叶军还使用了一个波色子原子，当把它冷却以后，很多原子的波会重叠在一起，形成一个大的波函数，即波色爱因斯坦凝聚态。另一个原子是费米子。费米子与玻色子的区别是，把两个费米子放在一起时，波函数必须是反对称的。如果是两个波子在一起的话，两个波函数必须对称。所以，当把两个费米子放在一起时，它们很「不合群」。根据泡利不相容原理，两个费米子不可占据同一位置，因此要把玻色子原子和费米子原子冷却在同一处。这时要用磁场和光场，让它们把一个波色子和一个费米子转化成一个分子。然后把所有原子按照上述配对原则，配成一个分子。这样即可形成一个简并费米子的分子气体。好比一个是父亲，一个是母亲。父亲可能是费米子，母亲是波色子，它们结合后就产生了分子也就是孩子。当时和 Nature 论文背靠背发表的 Science 论文题为《使用电场对反应性分子进行共振碰撞屏蔽》（Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields）。对于该论文，叶军表示：「一般我们理解的化学反应是一个分子和另外一个分子碰撞一下。或者在高中做化学实验时，把一个试管里面的液体倒到另外一个试管里，然后你会看到颜色变化或者冒烟。」但这真的是化学反应吗？从最基础的原理来讲，只不过是把两个分子放在一起，然后它们的排布方式会重新构造，在此过程中往往会有热量散发出来。但实际上，如果仔细研究的话，就会发现这只是一个原子之间互相重新组合，因此了解化学反应的过程非常重要。本质来讲，这是一个量子力学的过程，让几个原子、几个分子放一起，看它们怎么重新组合。在此过程中，一般借助热力学来了解，因为分子都是很热的。但如果把分子温度冷却到很低时，这时两个分子之间进行碰撞，就无法再用经典力学进行解释，而是要用量子力学来解释。在了解互相作用的过程中，往往会发现新奇的知识，比如用电场来控制两个分子，让它们靠得更近、或互相推开，这便是共振现象，这也是一种基于量子力学原理的控制办法。当把分子温度降到很低时，当能用量子力学来描绘分子的平均运动时，就能看到新奇的现象，并能用它来控制化学反应，从而真正了解化学反应的本质。就像构造光学晶格钟表一样，先把原子逐个放在光学晶格里，当分子把温度降低后，分子和分子之间会有电偶极矩，即可实现长距离的互相作用，从而实现一些电子现象奇观。而在用电场控制分子的空间取向时，由于它们是极性分子，所以基于电偶极矩以及电场的作用，即可顺着电场取向。通过冷分子技术，把分子控制得很精确以后，可以用它来做量子信息处理，甚至可以用这种分子控制技术来做量子计算机，或者用分子控制技术来了解材料里的特殊性能。举例来说，一般对某个材料进行了解时，往往是加上电极去检测材料的通电性、导热性。但如果能把分子和原子一个个放在光学晶格里面，让它们互相进行作用，就可从最基本的原理来了解多分子放在一起后的特性预测。从本质上来，可以用很简单的量子力学来了解一个物质，比如现代科学里使用的不同物质的超导、以及磁场磁力性。叶军表示，自己作为一名实验物理学家，必须要懂很多知识，例如电子、计算机等技术，甚至水工、电工、抽真空方面的技术都要懂一点。掌握先进的科学技术手段之后，才不会对不了解的东西感到害怕。中国有一句话说艺高胆大，如果一个实验物理学家能做到这些，一定能做出成果。1、Valtolina, G., Matsuda, K., Tobias, W.G. et al. Dipolar evaporation of reactive molecules to below the Fermi temperature. Nature 588, 239–243 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2980-72、Matsuda K, De Marco L, Li J R, et al. Resonant collisional shielding of reactive molecules using electric fields[J]. Science, 2020, 370(6522): 1324-1327.
