澳大利亚,新南威尔士州
新研发的镥原子钟已实现创纪录的准确性和比较精度，使其成为未来时间标准和重力测量的理想候选者
新加坡国立大学（NUS）量子技术中心（CQT）利用元素镥研制出的原子钟，为计时精度树立了新的标杆。发表在《自然》杂志上的研究结果表明，该钟将跃迁频率测量到了小数点后19位，不确定度达到极低的1×10⁻¹⁹，是迄今为止所有光学原子钟中最低的数值。研究团队表示他们目前拥有的是世界上最精确的钟表。
镥对温度变化的稳定性
原子钟通过锁定原子跃迁来计时，即原子电子在固定频率下跃迁至不同能级的过程。激光被调谐以匹配这一“时钟跃迁”，其光波的振荡就像摆锤的摆动一样，用来标记时间。在CQT时钟中，这一参考信号来自一个带电的镥-176（¹⁷⁶Lu⁺）原子或离子，其跃迁频率与波长为848纳米的激光相匹配。
温度变化和磁场会影响原子钟用于计时的跃迁频率，因此研究人员在评估其精度时必须考虑这些因素。而镥的时钟跃迁几乎不受这些因素影响，使得该时钟在更广泛的环境条件下仍能保持稳定的参考基准。
这些优良特性意味着即使在各种环境中也能实现高精度即使从地球上记录的最热地点——死亡谷，到南极高原的最冷地带，镥原子钟依然保持稳定。
十多年前，该团队开始研究镥元素，推测其特性可能使其成为最理想的计时元素之一。将这一可能性转化为实用的原子钟，需要多年的精密工程设计和对原子特性的测量。研究人员还发明了一种名为“超精细平均法”的技术，用于定义钟的跃迁频率。据悉，他们目前仍是唯一一个使用镥元素进行时间测量的研究团队。
研究人员构建了两台镥原子钟，并采用一种称为相关光谱学的技术，在200小时以上持续比较它们的运行情况。这两台钟的走时一致性达到5.7 × 10⁻¹⁹的不确定度，这是迄今为止报告过的最精确的原子钟比对结果。通过进一步增加测量次数，有望进一步降低这一不确定度。
人们常说：‘一个人戴一块表，就知道现在几点；但一个人戴两块表，就永远不确定。这句话实际上说明，检验标准准确性的唯一方法就是比较不同钟表，并证明其可重复性。
重力会减缓时间的流逝，导致不同高度的时钟以略有不同的速率运行。工作精度达到10⁻¹⁹水平的光学原子钟，能够探测到仅数毫米高度差所引起的时间差异。CQT的比较实验可分辨出同一张桌子上两台时钟之间5毫米（约0.2英寸）的高度差。为了防止这一差异影响比较结果，研究人员独立测量了两个镥离子之间的相对高度，精度小于1毫米。
这种对重力的高敏感性也使得将镥原子钟与全球其他领先的原子钟进行比对变得更加复杂。目前，地球各地重力差异尚不足以精确区分其影响与原子钟性能本身在如此高精度下的差异。在不太远的将来，还看不出还有哪种时钟能超越它。
超越铯秒
自20世纪60年代以来，铯原子一直作为定义“秒”的基准，铯原子钟支撑着全球定位系统（GPS），并用于同步通信和交通网络。光学钟使用频率更高的跃迁频率，在相同时间内可进行更多次振荡，从而实现更精确的时间测量。近期的纪录保持者使用了镱、锶和铝等元素，而CQT团队报告称，其镥原子钟的性能已超越这些元素。
随着这些原子钟的不断改进，负责制定时间标准的国际机构正考虑在2030年或之后，依据它们的测量结果重新定义“秒”。此外，这些钟对重力的高度敏感性也可能在实验室之外发挥重要作用。
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
