德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一系列先進(jìn)的光學(xué)原子鐘，其中包括單離子時(shí)鐘和光晶格時(shí)鐘。這些新型時(shí)鐘展示了前所未有的精度，可比現(xiàn)有的定義國際單位制中“秒”的銫原子鐘精確1000倍以上。相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期《物理評(píng)論快報(bào)》上。
下一代原子鐘利用激光頻率作為計(jì)時(shí)基礎(chǔ)，其頻率大約是當(dāng)前銫原子鐘所使用的微波頻率的100000倍。盡管還在評(píng)估階段，但部分現(xiàn)有光學(xué)原子鐘的準(zhǔn)確性已經(jīng)達(dá)到了銫鐘的100倍。隨著進(jìn)一步的測(cè)試和全球范圍內(nèi)的對(duì)比，它們有望成為重新定義“秒”的關(guān)鍵工具。
在光學(xué)原子鐘的工作原理中，原子被特定頻率的激光照射，這導(dǎo)致原子改變其量子態(tài)。為了確保這種轉(zhuǎn)變發(fā)生，必須保護(hù)原子不受外界干擾，并且要精確測(cè)量任何剩余的影響。對(duì)于含有囚禁離子的光學(xué)原子鐘而言，這一過程特別有效。離子可以被電場捕獲，在真空中保持在極小的空間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)接近理想、無干擾的量子系統(tǒng)。因此，離子鐘的相對(duì)系統(tǒng)不確定度能夠達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后18位以外的水平。換句話說，如果從宇宙大爆炸開始計(jì)時(shí)，這樣的時(shí)鐘最多只會(huì)有一秒的誤差。
傳統(tǒng)上，這些時(shí)鐘依賴于單一的時(shí)鐘離子發(fā)出的信號(hào)，需要長時(shí)間（有時(shí)長達(dá)兩周）來測(cè)量頻率。為提高效率，新開發(fā)的時(shí)鐘引入了并行化處理，即多個(gè)不同種類的離子可以在同一離子阱中同時(shí)被捕獲。這些離子相互作用形成晶體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合不同類型的離子特性來增強(qiáng)性能。
此次團(tuán)隊(duì)選擇了銦離子，因其具備實(shí)現(xiàn)高精度的優(yōu)越屬性，并添加鐿離子用于有效冷卻。同時(shí)，他們通過創(chuàng)新方法解決了既往難點(diǎn)，使得新時(shí)鐘精度接近小數(shù)點(diǎn)后18位。
在比較測(cè)量中涉及了德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的另外兩個(gè)光學(xué)時(shí)鐘系統(tǒng)和一個(gè)微波時(shí)鐘系統(tǒng)——單離子鐿鐘、鍶晶格鐘以及銫噴泉鐘。銦鐘與鐿鐘之間的比率首次達(dá)到了總體不確定度的要求，符合重新定義“秒”所需的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。
該方案預(yù)示著新一代高度穩(wěn)定和精確的光學(xué)離子鐘的到來。它不僅適用于其他類型的離子，而且為全新的時(shí)鐘概念鋪平了道路。
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