光晶格鐘

　　原理

　　“光梳”擁有一系列頻率均勻分布的頻譜，這些頻譜仿佛一把梳子上的齒或一根尺子上的刻度。

　　“光梳”可以用來測定未知頻譜的具體頻率，其精確度已經(jīng)達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后15位。

　　研究人員把用紅色激光冷卻的超低溫鍶原子封閉到被稱為“光晶格”的“容器”里，這樣原子的各種外來擾

　　動(dòng)被消除，可以充當(dāng)鐘的振蕩器。

　　發(fā)展歷史

　　2005年——草創(chuàng)原理

　　截至2005年，世界上最精確的時(shí)鐘是用原子量為133的銫原子制成的。據(jù)法國巴黎觀象臺(tái)宣布， 2005年應(yīng)比平常年份多出1秒。這是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)受太陽和月球的引力、潮汐和大氣的干擾等因素影響會(huì)減速。察覺到這一現(xiàn)象的是每天誤差只有千萬億分之一秒的原子鐘。人們把銫原子發(fā)出的電磁波振動(dòng)周期的大約91.9倍定義為1原子秒。但“銫鐘”有它的局限：和光波相比，電磁波的頻率要低得多。日本科學(xué)家正致力于開發(fā)一種比原子鐘還精確的時(shí)鐘。 它以獲得2005年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“光梳”技術(shù)為基礎(chǔ)。“光梳”可以用來測定未知頻譜的具體頻率，其精確度目前已經(jīng)達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后15位。 日本科學(xué)家已經(jīng)成功完成了“光晶格鐘”的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，他們的成果刊登在2005年5月19日出版的英國《自然》雜志上。

　　2009年——試制成功

　　2009年日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所宣布，該所研究人員在世界上首次利用鐿原子開發(fā)出光晶格鐘，這種光晶格鐘運(yùn)轉(zhuǎn)60萬年僅誤差一秒。

　　產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所日前發(fā)布新聞公報(bào)介紹說，所謂原子鐘就是以原子中電子的振動(dòng)為振子的時(shí)鐘，其中以電子振動(dòng)非常迅速的光波段振動(dòng)為振子的時(shí)鐘稱為光鐘。光晶格鐘是光鐘的一種。

　　公報(bào)說，鐿原子受黑體輻射的影響小，其核自旋也較小。從理論上講，用鐿原子制成的光晶格鐘比傳統(tǒng)的鍶原子光晶格鐘性能更高。但鐿原子光晶格鐘由于光源的開發(fā)非常困難，之前一直未能成功。

　　產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所研究人員開發(fā)出了獨(dú)創(chuàng)的光源，并運(yùn)用“光梳”技術(shù)、激光頻率穩(wěn)定技術(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，成功將鐿原子冷卻到極低溫狀態(tài)，把它們封閉進(jìn)被稱為“光晶格”的“容器”里。

　　這樣鐿原子的各種外來擾動(dòng)被消除，可以充當(dāng)鐘的振蕩器。通過測定光晶格中的頻譜，研究人員測得鐿原子光晶格鐘的誤差為60萬年一秒。

　　2013年——一致性測試

　　2013年7月9日，英國《自然》雜志網(wǎng)站稱，法國巴黎天文臺(tái)吉勒莫·洛德韋克和同事證明，兩臺(tái)先進(jìn)的光晶格鐘（OLC）的運(yùn)行步調(diào)幾乎完全一致，精確度最少可達(dá)1.5×10-16。

　　如果想用OLC重新定義秒的話，這種一致性測試必不可少，因此，這一最新研究有望讓科學(xué)家們重新定義秒。

　　2015年——大為完善

　　2015年2月10日，日本東京大學(xué)量子電子學(xué)教授香取秀俊領(lǐng)導(dǎo)的研究小組宣布，已制作了2臺(tái)“光晶格鐘”，并相互確認(rèn)了精確度。“光晶格鐘”較目前定義時(shí)間基本單位1秒長度的銫原子鐘精確100倍以上。據(jù)介紹，即使從138億年前宇宙誕生時(shí)開始計(jì)時(shí)至今，2臺(tái)“光晶格鐘”之間的誤差也將不足1秒，擁有高度一致性。

　　該成果發(fā)表在2015年2月9日的科學(xué)雜志《自然光學(xué)》（Nature Photonics）電子版上，較此前的世界最高精度記錄提高了約30倍。

　　由于“光晶格鐘”過于精密，此前在常溫下受到機(jī)器發(fā)出的微弱電磁波干擾，該研究組遂將計(jì)時(shí)部分置于零下180度的低溫下冷卻，進(jìn)一步提高了精度，制作了40億年僅誤差1秒的2臺(tái)“光晶格鐘”。

　　該研究組將2臺(tái)“光晶格鐘”用光纜連接，運(yùn)行約一個(gè)月并進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示2臺(tái)鐘之間產(chǎn)生1秒誤差需要160億年。

　　銫原子鐘3000萬年會(huì)產(chǎn)生1秒誤差，而“光晶格鐘”理論上300億年才會(huì)產(chǎn)生1秒誤差。香取表示將爭取進(jìn)一步提高精度。

　　性能應(yīng)用

　　“光晶格鐘”以曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“光梳”技術(shù)為基礎(chǔ)，理論上每天僅誤差10的負(fù)18次方秒，要比截至2013年之前的銫原子鐘精確1000倍。除用來測量時(shí)間外，由于其對(duì)重力的影響極其敏感，還可以用于驗(yàn)證愛因斯坦的廣義相對(duì)論。

　　研究成果

　　日本東京大學(xué)10日說，其研究小組與日本理化學(xué)研究所合作，開發(fā)出精確度極高的光晶格鐘，160億年才產(chǎn)生1秒誤差。這是在實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)的迄今世界最高精確度。

　　光晶格鐘是一種原子鐘，世界各國都在大力進(jìn)行研究。所謂原子鐘就是以原子中電子的振動(dòng)為振子的時(shí)鐘，如果振動(dòng)的頻率在光波段，時(shí)鐘就稱為光鐘，光晶格鐘是光鐘的一種。

　　現(xiàn)在，秒的定義是根據(jù)銫原子的電磁波周期數(shù)來決定，每3000萬年有1秒誤差。東京大學(xué)研究生院工學(xué)系教授香取秀俊率領(lǐng)的研究小組，選擇了比銫原子能更精密測量時(shí)間的鍶原子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用激光將鍶原子封閉在十萬分之二毫米左右的格子狀空間內(nèi)，然后計(jì)算其振動(dòng)數(shù)。

　　此前，由于封閉原子的外壁釋放電磁波會(huì)影響原子固有振動(dòng)數(shù)，使振動(dòng)數(shù)無法保持一致，這成為提高光晶格鐘精確度的最大難點(diǎn)。

　　研究小組注意到，在低溫環(huán)境下，原子不易受電磁波影響，為此開發(fā)出能在零下170攝氏度下工作的光晶格鐘，最終實(shí)現(xiàn)了160億年才有1秒誤差。

　　相關(guān)論文已刊登在新一期《自然·光子學(xué)》上。