你聽(tīng)說(shuō)過(guò)原子鐘嗎？從最早的計(jì)時(shí)器械日晷，到擺鐘、機(jī)械鐘、石英表，時(shí)鐘的精度越來(lái)越精確。日常生活中對(duì)于時(shí)間的定義已經(jīng)可以精確到“秒”。1967年，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將1秒定義為：無(wú)干擾情況下133Cs（銫）原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷對(duì)應(yīng)的輻射持續(xù)振蕩 9192631770 個(gè)周期的時(shí)間。而如今，光鐘的出現(xiàn)，不僅性能超越微波段的銫噴泉鐘，更是引發(fā)了關(guān)于重新定義“秒”討論。什么是原子鐘？為什么原子鐘的誕生，將重塑“時(shí)間”的定義？

什么是原子鐘？

原子鐘是產(chǎn)生穩(wěn)定頻率信號(hào)的設(shè)備，它通過(guò)電磁波-原子相互作用產(chǎn)生的鑒頻信息，將本地振蕩器（電子學(xué)或光學(xué)的）鎖定到原子的躍遷頻率上。基于頻段的不同，原子鐘可大致分為微波鐘、光鐘兩類；在光鐘里，根據(jù)躍遷的量子參考體系的不同，可分為離子光鐘、中性原子光鐘，以及近兩年實(shí)驗(yàn)上取得突破進(jìn)展的核光鐘。

▲原子鐘工作原理

我們已經(jīng)有平時(shí)使用的鐘表，為什么還要研發(fā)原子鐘呢？普通鐘表（如石英表），主要依賴石英晶體振動(dòng)，但溫度變化會(huì)影響其頻率，每天誤差約1秒，而原子鐘使用的是原子振動(dòng)頻率，原子振動(dòng)頻率由自然法則固定，不受環(huán)境影響，精度可達(dá)3000萬(wàn)年誤差不到1秒。

▲時(shí)鐘的歷史演變圖例

原子鐘家庭大揭秘

微波鐘

微波鐘利用原子內(nèi)部的穩(wěn)定鐘躍遷（“能級(jí)躍遷”，即振蕩）作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。這種振蕩位于微波波段（類似WiFi信號(hào)的波段），因此稱為“微波鐘”。

我們平時(shí)使用的微波鐘有三種，分別是銫噴泉鐘，氫鐘和銣鐘。在工作時(shí)，銫原子被激光冷凍成接近絕對(duì)零度的“原子球”，通過(guò)垂直激光拋射形成“噴泉運(yùn)動(dòng)”（上升后下落）。下落時(shí)原子穿過(guò)微波腔，通過(guò)共振信號(hào)鎖定其固有振動(dòng)頻率，鎖定后1億年才誤差1秒，是各國(guó)時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的基準(zhǔn)設(shè)備。氫鐘作為短期精度之王，信號(hào)極其清晰，短期穩(wěn)定性最優(yōu)，1秒內(nèi)的精度達(dá)千萬(wàn)億分之一，十分適合衛(wèi)星的實(shí)時(shí)定位。而銣鐘因其小巧實(shí)用被各個(gè)日常生活的廠家喜愛(ài)，其原理是用紅光照射銣原子使其整齊排列，再通過(guò)微波調(diào)整原子狀態(tài)。通過(guò)檢測(cè)透射光的變化鎖定共振頻率。

微波鐘已廣泛應(yīng)用于我們的日常生活之中。例如，我們所使用的GPS或北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，便搭載了高性能的氫鐘或銫鐘。衛(wèi)星向手機(jī)發(fā)送信號(hào)，通過(guò)傳輸時(shí)間與光速的乘積計(jì)算距離——若鐘差達(dá)到一納秒（十億分之一秒），就會(huì)引起30厘米的定位偏差。而微波鐘的使用，可將誤差控制在1米以內(nèi)。在日常生活中，我們使用的5G信號(hào)需經(jīng)由5G基站傳輸。所有這些基站都必須將時(shí)間同步精度維持在百萬(wàn)分之一秒以內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突。由于體積小、成本低，銣鐘被集成在全國(guó)數(shù)百萬(wàn)個(gè)基站中，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。無(wú)論是引力波探測(cè)還是火星著陸任務(wù)，高精度的時(shí)間同步都是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作的前提。時(shí)間若存在千分之一秒的誤差，就可能導(dǎo)致衛(wèi)星軌道偏差達(dá)十萬(wàn)公里。同樣，在金融領(lǐng)域的高頻股票交易中，下單速度相差千分之一秒，可能造成百萬(wàn)元的損失。因此，交易所也采用微波鐘技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)器間的時(shí)間同步。

▲空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)示意圖

離子光鐘

離子光鐘的主要代表包括鈣、鋁、镥、鐿、鍶、銦等，這些離子基于其原子能級(jí)結(jié)構(gòu)、對(duì)外場(chǎng)干擾的敏感度、激光操控可行性等物理特性而被選擇。位于武漢的中科院精密測(cè)量院的40Ca+光鐘準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到4.6E-19（689億年誤差1秒，遠(yuǎn)超宇宙年齡），處于世界領(lǐng)先水平。

鋁離子光鐘在離子光鐘的領(lǐng)域也大放異彩。NIST最新的27Al+準(zhǔn)確度達(dá)到5.5E-19。其相對(duì)其他離子黑體輻射頻移弱，受溫度波動(dòng)影響較小，但在技術(shù)上也有其難點(diǎn)，需要借助其他離子完成實(shí)驗(yàn)。除了NIST的27Al+離子光鐘，華中科技大學(xué)的27Al+離子光鐘也達(dá)到了1.6E-18的準(zhǔn)確度。

中性原子光鐘

中性原子光鐘的代表元素包括鍶、鐿、汞。與離子鐘僅探詢單個(gè)離子不同，中性原子光晶格鐘通過(guò)同時(shí)探詢大量原子，降低量子投影噪聲，提升了光鐘的穩(wěn)定度。量子投影噪聲的含義可以理解為：測(cè)量單個(gè)粒子的量子態(tài)，其測(cè)量結(jié)果要么是基態(tài)要么是激發(fā)態(tài)，當(dāng)粒子數(shù)少時(shí)這種離散結(jié)果需要大量平均才能得出激發(fā)率。在中性原子光鐘領(lǐng)域，光晶格是實(shí)現(xiàn)同時(shí)探詢大量原子的關(guān)鍵技術(shù)，它利用兩束反向傳播的激光干涉形成周期性駐波勢(shì)阱。因此原子被晶格光牢牢束縛住，這使得高精度光譜操縱成為可能。同時(shí)被束縛的大量中性原子抑制了量子投影噪聲：激發(fā)態(tài)原子數(shù)占比直接穩(wěn)定地給出激發(fā)率，避免了探測(cè)單個(gè)微觀粒子的二值化結(jié)果。

目前，國(guó)際上性能最優(yōu)越的光鐘準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到8E-19水平。國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)計(jì)量研究院和中科院國(guó)家授時(shí)中心都各自建立了世界領(lǐng)先水平的鍶光鐘，華東師范大學(xué)也建立了領(lǐng)先的鐿光鐘。其中，中國(guó)科大潘建偉研究團(tuán)隊(duì)成功研制了萬(wàn)秒穩(wěn)定度和不確定度均優(yōu)于5E-18（相當(dāng)于數(shù)十億年的誤差不超過(guò)一秒）鍶原子光晶格鐘，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)綜合指標(biāo)最好的光鐘系統(tǒng)（）。

核光鐘

原子躍遷依靠核外電子狀態(tài)的改變，而核躍遷依靠原子核狀態(tài)的改變，其對(duì)核外電子結(jié)構(gòu)不敏感，被期望具有較好的環(huán)境抵抗能量，有利于光鐘性能的突破。但是在技術(shù)上，精細(xì)操控躍遷通常需要激光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而受限于光學(xué)材料的性能（激光增益介質(zhì)、光學(xué)玻璃）X射線甚至更高頻的波段內(nèi)并無(wú)激光技術(shù)可用。因此低能量的核激發(fā)態(tài)，例如釷的229mTh態(tài)就成為了關(guān)注的目標(biāo)，因?yàn)檎婵兆贤庹幱诩す饧夹g(shù)的極限。

自1976年核物理學(xué)家提出229Th原子核存在一個(gè)極低能量的激發(fā)態(tài)（229mTh態(tài)）以來(lái)，大量研究團(tuán)隊(duì)一直試圖在實(shí)驗(yàn)上尋找該躍遷，直至近兩年，國(guó)際上多個(gè)團(tuán)隊(duì)（德國(guó)PTB，美國(guó)UCLA，JILA）明確地定位該躍遷；尤其是2024年葉軍教授領(lǐng)導(dǎo)的JILA團(tuán)隊(duì)針對(duì)摻釷氟化鈣樣品，使用真空紫外光頻梳的直接激光激發(fā)方案，將此躍遷的頻率確定。此外，基于離子阱技術(shù)（例如激光冷卻229Th3+離子）的核鐘也具有前景。

▲研究人員使用頻率梳激光裝置探測(cè)嵌入晶體中的釷-229原子核。圖片來(lái)源：JILA

結(jié)語(yǔ)

從地球時(shí)鐘到宇宙時(shí)鐘，從精準(zhǔn)計(jì)時(shí)到探索宇宙，現(xiàn)有時(shí)鐘在不斷超越秒的定義的同時(shí)，也在全球?qū)Ш较到y(tǒng)、也是驗(yàn)證相對(duì)論、探測(cè)引力波、尋找暗物質(zhì)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題上發(fā)揮著重要作用。

對(duì)于我國(guó)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，在空間進(jìn)行原子鐘研究的部署也已經(jīng)展開(kāi)。讓我們一起期待，未來(lái)有一顆像“墨子號(hào)”那樣的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，第一次搭載中國(guó)人自己研制的高性能光鐘，去探索有關(guān)宇宙時(shí)間和空間的秘密。

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