暗物質–我們宇宙中80% 以上的物質都是由這種神秘的、看不見的物質構成的–的過程中，科學家和工程師們正在轉向一種新的超靈敏工具：光學原子鐘。這些時鐘通過使用超穩定激光來監測原子的共振頻率來測量時間，現在已經足夠精確，如果它們運行到宇宙的年齡，它們的損耗將小於一秒。這種穩定性還使這些設備能夠充當極其靈敏的量子傳感器，可以部署到太空中尋找暗物質。

科學家們正在利用光學原子鐘這種超靈敏量子傳感器尋找暗物質。(藝術家概念圖）。

挑戰：操作這種超精密時鐘所需的設備–包括激光器、電子設備和冷卻器–可以擺滿一張大桌子，甚至一個房間。這將使將它們發射到太空變得非常昂貴，甚至不可能。

費米實驗室研究人員孫鴻志和帕梅拉-克拉伯斯在試驗台上測試芯片。圖片來源：Ryan Postel，費米實驗室

參與美國能源部和國防部聯合項目的科學家旨在將這些元件微型化到鞋盒大小。經過兩年多的努力，來自能源部費米國家加速器實驗室和麻省理工學院林肯實驗室的研究人員已經報告了初步的可喜成果。

費米實驗室的研究人員設計並開發了控制裝置內電壓所需的緊湊型電子設備，而麻省理工學院林肯實驗室的研究人員正在開發製造時鐘所需的微小離子阱和相應的光子學。費米實驗室團隊設計的芯片目前正在麻省理工學院實驗室進行測試。實驗室微電子部主任法拉-法希姆（Farah Fahim）說：”這是邁向高精度、小尺寸原子鐘的第一步。”

麻省理工學院實驗室的光學原子鐘使用離子阱作為傳感器–在本例中，鍶離子被電場束縛。激光作為時鐘的振盪器，測量離子在兩個量化能級之間轉換的振盪頻率。

這種結構緊湊的原子鐘非常適合部署到太空中尋找超輕暗物質，理論上暗物質會引起電子質量的振盪。如果幾個原子鐘穿過太空中的一團暗物質，暗物質就會增加或減少每個原子鐘測量到的光子能量，從而改變它的”滴答”聲。當暗物質經過時，這些時鐘會失去同步，之後又會重新同步。

研究人員用GPS 衛星進行了這些實驗，每顆衛星都包含多個基於不同技術的原子鐘。但他們在這些實驗中沒有發現暗物質的證據。研究人員認為，也許可以用更靈敏的時鐘來探測暗物質。

芯片的圖形效果圖。資料來源：費米實驗室薩曼莎-科赫

在美國國防部的資助下，麻省理工學院實驗室的研究人員將困離子原子鐘微型化，將激光傳輸和探測全部集成到一個芯片上。但要完成這個系統，麻省理工學院LL 研究人員需要的不僅僅是微型化的原子和光子元件。他們需要幫助設計一個微型電子控制系統。這就是費米實驗室介入的原因；能源部的高能物理QuantISED 計劃為電子開發和集成提供了資金。

法希姆說：”我們擁有30 多年為對撞機物理學開發緊湊型電子設備的經驗，我們已經開發出了適用於極端環境的芯片。這與控制原子並讀出其狀態所需的電子器件並無二致。”

麻省理工學院LL 的參謀科學家羅伯特-麥康奈爾（Robert McConnell）說：”這是一個真正利用了不同政府實驗室獨特能力的項目，”他領導了該項目的光子離子阱芯片開發工作。

難點在於如何製造一種小型芯片，既能控制系統所需的高電壓（至少20 伏），又能保持高速度和低功耗。費米實驗室團隊與一家半導體製造商合作，最近製造出了一種能控制高達9伏電壓的芯片。”該項目的首席芯片設計師孫鴻志說：”它的電壓噪聲也很低，因此不會擾亂離子的量子態。”

準備測試： 芯片的定制測試板與測試設備連接。芯片用導線粘接在測試板上，並由方形白色塑料蓋保護。圖片來源：Ryan Postel，費米實驗室

麻省理工學院LL 研究人員現在希望通過一種技術將芯片與離子阱集成在一起，這種技術允許他們將兩個芯片堆疊在一起，並通過通孔（即層間電連接）將它們連接起來。隨後，費米實驗室的研究人員將繼續完善電子設計，將電壓提高到20 伏。我們的目標是製造出一個緊湊型原子鐘，其頻率不確定性為10-18。

麥康奈爾說：”這次合作讓我們獲得了兩個世界的好處。通過讓費米實驗室設計電路並將其與我們的離子阱集成，我們可以製造出可控性良好的量子傳感器。”

這些時鐘的用途可以超出高能物理研究，包括太空防禦，甚至可以作為極其靈敏的傳感器來預測海嘯或地震。這些離子阱還可以成為未來量子計算機的基礎。

法希姆說：”國防部和能源部在應用目標上存在巨大差異，但在基礎技術開發方面卻有著同樣引人注目的協同效應；我們只需要找到合作的方法。”