北京
来源：中国科学报
记者：李木子
物理学家研制出迄今世界上最精确的钟。这台时间机器极为可靠，2600多亿年才会慢一秒。相关研究成果9月23日发表于《自然》。
从卫星导航到暗物质探测，高精度时钟被广泛应用于各个领域。日益精准的时钟为人们带来了新机遇，例如以极高的精度绘制地球引力的变化，并可能成为重新定义秒的基础。
这款由新加坡国立大学（NUS）的研究人员利用稀土金属镥制造的实验室计时器，其精度是此前基于钙离子制成的最准确时钟的4倍。
镥原子钟是目前世界上最精确的时间测量装置。图片来源：新加坡国立大学
该设备是一种“光学”原子钟，利用元素吸收和发射光辐射时的可见光频率来计算时间。美国加州大学洛杉矶分校的物理学家David Leibrandt表示，它的精度令人印象深刻。更令人兴奋的是，研究团队还通过比较时钟的输出结果对其准确性进行了验证。
研究人员表示，这种镥时钟足够稳定，希望能够将其小型化，并最终带出实验室。领导这项研究的NUS的物理学家Murray Barrett表示，这是该团队历时十多年的成果。
这种时钟利用了镥离子的一个天然而固定的特性——使电子跃迁到更高能量的“激发态”的光的频率。通过持续观测单个离子，研究人员将激光精确锁定在触发电子跃迁的特定频率上，然后利用激光的振荡作为计时单位来标记时间。
研究人员不仅计算出了时钟的精度估值，还通过比较两个镥时钟验证了它的准确性，这对于确保设备输出的可靠性至关重要。“如果你只有一个时钟，你又怎么知道它是准确的呢？”Barrett说。这两个钟表的滴答声精确匹配到第19位数字。研究团队表示，这是迄今做过的最精确的时钟比对。
研究人员表示，他们可能是世界上唯一使用镥元素制造时钟的团队。NUS的物理学家Kyle Arnold指出，镥的特性“非常适合”这项应用。与常用于制造原子钟的一些原子（如镱和锶）相比，镥对温度和磁场的波动不敏感。这些环境因素可能影响跃迁频率，进而影响时钟的精度。镥时钟仅需使用商用激光技术，便可在室温下工作。
“我认为镥将在未来的高精度时间测量中发挥主导作用，我希望这能进一步提升人们对其在光学时钟领域优势的认识水平。”Arnold表示。
此外，镥也可能是构成秒的新定义的基础元素，或少数几种元素之一。计量学家希望在2030年之后重新定义秒，他们将采用新一代的使用可见光频率的时钟，而不是自1967年以来一直用于定义秒的微波频率。
这种更高频率的光学时钟振荡速度更快，从而让计量学家能够更精细地划分时间。但要实现这一目标，必须符合一系列严格的标准，包括达到一定的精确度阈值，并通过将自身时钟的输出与其他时钟的输出进行比对来验证结果。
英国国家物理实验室的物理学家Helen Margolis表示，镥时钟的不确定性“远低于”国际计量界设定的目标，但还必须符合其他标准，例如在由独立研究团队开发的时钟之间进行反复比较。“如果国际社会认定我们已准备好重新定义秒，那么全球的一致性和可重复性就变得至关重要。”
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