新型原子鐘創(chuàng)下最高精度紀(jì)錄 有望推動(dòng)“秒”重新定義并促進(jìn)量子技術(shù)發(fā)展

研究人員展示新型鋁離子阱裝置。　圖片來(lái)源：NIST

科技日?qǐng)?bào)北京7月15日電 （記者劉霞）美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）研究團(tuán)隊(duì)14日在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上發(fā)表一項(xiàng)重要成果：他們通過(guò)將鋁離子捕獲于離子阱中改進(jìn)了原子鐘，使其精度創(chuàng)下小數(shù)點(diǎn)后19位的驚人紀(jì)錄。這項(xiàng)突破有望推動(dòng)國(guó)際單位制中“秒”的重新定義，并促進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展。

這款新型原子鐘在光學(xué)時(shí)鐘的兩大核心指標(biāo)上均實(shí)現(xiàn)突破：其準(zhǔn)確度較此前紀(jì)錄提升41%；穩(wěn)定性更是達(dá)到其他原子鐘的2.6倍。研究團(tuán)隊(duì)表示，打造史上最精準(zhǔn)的時(shí)鐘不僅有望拓展物理學(xué)邊界，更能讓科學(xué)家以全新視角認(rèn)識(shí)世界。

鋁離子因其得天獨(dú)厚的特性成為理想選擇：其振蕩頻率比現(xiàn)行“秒”定義基準(zhǔn)的銫原子更為穩(wěn)定，且對(duì)環(huán)境干擾具有極強(qiáng)抗性。

研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)20載持續(xù)優(yōu)化，從激光系統(tǒng)到離子阱結(jié)構(gòu)，乃至真空腔體都經(jīng)過(guò)精密改造。

團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新鍍金工藝，通過(guò)加厚離子阱金涂層降低電阻，有效抑制鋁離子擾動(dòng)；接著，他們改良真空系統(tǒng)，采用鈦合金腔體替代傳統(tǒng)鋼材，使氫氣滲透量驟降至1/150；最后，通過(guò)3.6公里光纖網(wǎng)絡(luò)整合NIST和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)JILA實(shí)驗(yàn)室的“世界最穩(wěn)激光源”，更精準(zhǔn)探測(cè)鋁離子并計(jì)算其振蕩頻率。

在這些改進(jìn)的加持下，整個(gè)系統(tǒng)單次探測(cè)時(shí)長(zhǎng)從0.15秒延長(zhǎng)至1秒。這不僅提高了時(shí)鐘的穩(wěn)定性，也將測(cè)量到小數(shù)點(diǎn)后19位所需時(shí)間從3周減少到一天半。

團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)突破性進(jìn)展有望帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。更精確的原子鐘有助國(guó)際社會(huì)更精確定義秒，從而催生新的技術(shù)進(jìn)步。新系統(tǒng)也能用作量子邏輯測(cè)試平臺(tái)，助力科學(xué)家探索量子物理學(xué)領(lǐng)域的新概念。此外，新時(shí)鐘不僅可用于探索地球重力場(chǎng)的細(xì)微變化，也可能發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理現(xiàn)象。