你聽說過原子鐘嗎？從最早的計時器械日晷，到擺鐘、機械鐘、石英表，時鐘的精度越來越精確。日常生活中對于時間的定義已經(jīng)可以精確到“秒”。1967年，第13屆國際計量大會將1秒定義為：無干擾情況下133Cs（銫）原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷對應(yīng)的輻射持續(xù)振蕩 9192631770 個周期的時間。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“時間”的定義？
什么是原子鐘？
原子鐘是產(chǎn)生穩(wěn)定頻率信號的設(shè)備，它通過電磁波-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?；陬l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，以及近兩年實驗上取得突破進展的核光鐘。
我們已經(jīng)有平時使用的鐘表，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，但溫度變化會影響其頻率，每天誤差約1秒，而原子鐘使用的是原子振動頻率，原子振動頻率由自然法則固定，不受環(huán)境影響，精度可達3000萬年誤差不到1秒。
微波鐘
微波鐘利用原子內(nèi)部的穩(wěn)定鐘躍遷（“能級躍遷”，即振蕩）作為計時基準(zhǔn)。這種振蕩位于微波波段（類似WiFi信號的波段），因此稱為“微波鐘”。
我們平時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，銫原子被激光冷凍成接近絕對零度的“原子球”，通過垂直激光拋射形成“噴泉運動”（上升后下落）。下落時原子穿過微波腔，通過共振信號鎖定其固有振動頻率，鎖定后1億年才誤差1秒，是各國時間實驗室的基準(zhǔn)設(shè)備。氫鐘作為短期精度之王，信號極其清晰，短期穩(wěn)定性最優(yōu)，1秒內(nèi)的精度達千萬億分之一，十分適合衛(wèi)星的實時定位。而銣鐘因其小巧實用被各個日常生活的廠家喜愛，其原理是用紅光照射銣原子使其整齊排列，再通過微波調(diào)整原子狀態(tài)。通過檢測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)星向手機發(fā)送信號，通過傳輸時間與光速的乘積計算距離——若鐘差達到一納秒（十億分之一秒），就會引起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信號需經(jīng)由5G基站傳輸。所有這些基站都必須將時間同步精度維持在百萬分之一秒以內(nèi)，否則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突。由于體積小、成本低，銣鐘被集成在全國數(shù)百萬個基站中，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。無論是引力波探測還是火星著陸任務(wù)，高精度的時間同步都是實現(xiàn)精準(zhǔn)操作的前提。時間若存在千分之一秒的誤差，就可能導(dǎo)致衛(wèi)星軌道偏差達十萬公里。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，可能造成百萬元的損失。因此，交易所也采用微波鐘技術(shù)，以實現(xiàn)全球服務(wù)器間的時間同步。
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結(jié)構(gòu)、對外場干擾的敏感度、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量院的40Ca+光鐘準(zhǔn)確度已經(jīng)達到4.6E-19（689億年誤差1秒，遠超宇宙年齡），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)確度達到5.5E-19。其相對其他離子黑體輻射頻移弱，受溫度波動影響較小，但在技術(shù)上也有其難點，需要借助其他離子完成實驗。除了NIST的27Al+離子光鐘，華中科技大學(xué)的27Al+離子光鐘也達到了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離子不同，中性原子光晶格鐘通過同時探詢大量原子，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：測量單個粒子的量子態(tài)，其測量結(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，光晶格是實現(xiàn)同時探詢大量原子的關(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，避免了探測單個微觀粒子的二值化結(jié)果。
目前，國際上性能最優(yōu)越的光鐘準(zhǔn)確度已經(jīng)達到8E-19水平。國內(nèi)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國計量研究院和中科院國家授時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，中國科大潘建偉研究團隊成功研制了萬秒穩(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一秒）鍶原子光晶格鐘，成為當(dāng)前國內(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，精細操控躍遷通常需要激光技術(shù)來實現(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)，因為真空紫外正處于激光技術(shù)的極限。
自1976年核物理學(xué)家提出229Th原子核存在一個極低能量的激發(fā)態(tài)（229mTh態(tài)）以來，大量研究團隊一直試圖在實驗上尋找該躍遷，直至近兩年，國際上多個團隊（德國PTB，美國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團隊針對摻釷氟化鈣樣品，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。
從地球時鐘到宇宙時鐘，從精準(zhǔn)計時到探索宇宙，現(xiàn)有時鐘在不斷超越秒的定義的同時，也在全球?qū)Ш较到y(tǒng)、也是驗證相對論、探測引力波、尋找暗物質(zhì)等基礎(chǔ)科學(xué)問題上發(fā)揮著重要作用。
對于我國科學(xué)家來說，在空間進行原子鐘研究的部署也已經(jīng)展開。讓我們一起期待，未來有一顆像“墨子號”那樣的實驗衛(wèi)星，第一次搭載中國人自己研制的高性能光鐘，去探索有關(guān)宇宙時間和空間的秘密。
責(zé)任編輯:王華
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