小型化原子钟：加速寻找暗物质及其他

　　科学家们正在利用光学原子钟——一种超灵敏的量子传感器——来寻找暗物质。(艺术家的概念。)

　　暗物质是一种神秘的、看不见的物质，占宇宙物质的80%以上。在寻找暗物质的过程中，科学家和工程师们正在求助于一种新的超灵敏工具:光学原子钟。

　　这些时钟通过使用超稳定的激光来监测原子的共振频率来测量时间，现在已经足够精确，如果它们运行到宇宙的年龄，它们将损失不到一秒。这种稳定性也使这些设备能够充当极其敏感的量子传感器，可以部署到太空中寻找暗物质。

　　原子钟小型化的挑战

　　挑战:操作这种超精密时钟所需的设备——包括激光、电子设备和冷却器——可以填满一张大桌子，甚至一个房间。这将使他们进入太空非常昂贵，如果不是不可能的话。

　　费米实验室的研究人员孙宏志和Pamela Klabbers在试验台测试芯片。资料来源:费米实验室的Ryan Postel

　　参与美国能源部和国防部联合项目的科学家们的目标是将这些元件缩小到鞋盒大小。经过两年多的工作，来自美国能源部费米国家加速器实验室和麻省理工学院林肯实验室的研究人员报告了初步的有希望的结果。

　　费米实验室的研究人员设计并开发了控制设备内电压所需的紧凑型电子器件，而麻省理工学院的研究人员正在开发构建时钟所需的微型离子阱和相应的光子学。由费米实验室团队设计的芯片目前正在麻省理工学院进行测试。

　　“这是迈向高精度、小体积原子钟的第一步，”费米实验室微电子部门主任Farah Fahim说，他是该实验室项目的负责人。

　　一种探测暗物质的新方法

　　麻省理工学院的光学原子钟使用离子阱作为传感器——在这种情况下，是一个被电场限制的锶离子。激光充当时钟的振荡器，测量离子在两个量子化能级之间跃迁的振荡频率。

　　这种紧凑的原子钟非常适合部署到太空中寻找超轻暗物质，理论上，超轻暗物质会引起电子质量的振荡。如果几个原子钟在太空中穿过一团暗物质，暗物质可以增加或减少每个原子钟测量的光子能量，改变它的“滴答”方式。当暗物质经过时，时钟会失去同步，然后重新同步。

　　改进暗物质探测技术

　　研究人员用GPS卫星进行了这些实验，每颗卫星都包含基于不同技术的多个原子钟。但他们在这些实验中没有发现暗物质存在的证据。研究人员认为，或许可以用更灵敏的时钟来探测暗物质。

　　芯片的图形渲染。来源:萨曼莎·科赫，费米实验室

　　在美国国防部的资助下，麻省理工学院的研究人员将捕获离子原子钟小型化，将激光传输和探测集成到一个芯片上。但为了完成这个系统，麻省理工学院的研究人员需要的不仅仅是小型化的原子和光子组件。他们需要帮助设计一个微型电子控制系统。这就是费米实验室的用武之地;美国能源部的高能物理量子化项目资助了电子设备的开发和集成。

　　“我们有超过30年的经验开发对撞机物理紧凑型电子设备，我们已经开发了用于极端环境的芯片，”Fahim说。“这与控制原子和读出它们的状态所需的电子学没有什么不同。”

　　“这是一个真正利用不同政府实验室的独特能力的项目，”麻省理工学院LL的工作人员科学家罗伯特·麦康奈尔(Robert McConnell)说，他领导了该项目的光子离子阱芯片的开发。

　　集成紧凑型电子nics带有离子阱

　　难点在于制造一种能够控制系统所需的高电压(至少20伏)的小芯片，同时保持高速和低功耗。费米实验室的团队最近与一家半导体制造商合作，制造出了一种可以控制高达9伏电压的芯片。“它还具有低电压噪声，因此不会扰乱离子的量子态，”该项目的首席芯片设计师孙宏志说。

　　准备测试:芯片的定制测试板连接到测试设备。芯片通过电线连接到电路板上，并由方形白色塑料帽保护

　　麻省理工学院的研究人员现在希望通过一种技术将芯片与离子阱结合起来，这种技术允许他们将两个芯片堆叠在一起，并通过通孔或层之间的电连接将它们连接起来。然后，费米实验室的研究人员将继续完善电子设计，将电压提高到20伏。目标是创造一个频率不确定度为10-18的紧凑原子钟。

　　超越暗物质:其他应用

　　麦康奈尔说:“这种合作使我们能够获得两个世界的好处。”“通过费米实验室设计电路并将其与我们的离子阱集成，我们可以创造出可控的量子传感器。”

　　这种时钟不仅可以用于高能物理研究，还可以用于太空防御，甚至可以用作预测海啸或地震的极其敏感的传感器。这些离子阱也可以构成未来量子计算机的基础。

　　“国防部和能源部的应用目标存在巨大差异，但在基础技术开发方面同样具有令人信服的协同作用;我们只需要找到合作的方法。”