NIST耗时20年建造世界上最精准的时钟

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究团队日前建造出全球最为精准的时钟。该新型光学原子钟以单一铝离子为核心，可实现极为精确的时间测量，其分数频率不确定度低至5.5 × 10⁻¹⁹——意味着它要比宇宙的年龄还久才会快或慢一秒。同时，该时钟的分数频率稳定度达到3.5 × 10⁻¹⁶ / √τ秒，比目前其他离子钟高出2.6倍。

（从左至右）梅森·马歇尔、大卫·休谟、威拉·亚瑟-德沃沙克和丹尼尔·罗德里格斯·卡斯蒂略站在美国国家标准与技术研究院的铝离子原子钟前。经过近期改进，该原子钟不仅为重新定义秒制铺平道路，还将推动物理学领域的新探索。

光学原子钟的评价标准是准确性（接近“真正”时间的程度）和稳定性（测量的一致性）。本次纪录的达成得益于团队对铝离子原子钟的激光、离子阱及真空腔体等方面，长达20年的持续研发与优化。NIST研究员、论文第一作者Mason Marshall表示：“参与最精准时钟的研发让人振奋。”

该时钟基于对单个²⁷Al⁺离子的量子逻辑光谱学测量，其中还共困一枚²⁵Mg⁺离子，用于协助“同态冷却”及读取铝离子的状态。铝的“跳动”极其稳定，对温度、磁场影响极小，非常适合时间测量，但激光控制难度大。镁离子则更易操控，因此用于辅助冷却，并让研究人员能间接读取铝离子的信号。

研究团队的重要创新包括将Rabi探测时间延长至1秒，这是通过从JILA实验室远程的超冷硅腔，将激光稳定性传输到NIST团队实验室（距离3.6公里）实现的。该技术使时钟的不稳定性比以往铝离子钟减少约三分之一。

美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家大卫·休谟手持为铝离子钟新改造的离子阱。通过改造该阱，铝离子及其镁离子配对粒子得以不受干扰地持续"滴答"运转。

此外，团队还对离子阱进行了全新设计，降低了多余的微运动（这种极微的非预期运动会影响计时精度）；他们选用了更厚的金刚石晶片，并调整了电极的金属镀层来修正电场不平衡。真空腔体也升级为了钛合金，背景氢气量降低了150倍，这让离子在设备中“保持”时间大幅延长、减少了氢分子的碰撞误差。

团队还对射频陷阱中交流磁场的方向进行了灵敏度测量，消除了磁场取向带来的不确定性。

美国国家标准与技术研究院（NIST）铝离子钟的新型改良离子阱，插图展示了铝-镁离子对的CCD图像。圆圈标示铝离子位置——该离子对相机呈暗态，因其只能通过镁离子经量子逻辑光谱学读出。

各项创新使得该钟可在约36小时内实现19位小数精度，而以往需三周时间。NIST研究生Willa Arthur-Dworschack表示：“有了这个平台，我们将探索多离子钟甚至纠缠离子的新结构，进一步提升测量能力。”

该项突破可望以更高精度重新定义“秒”的长度，并在地球科学及基础物理领域开辟新前景，包括验证自然常数是否真正恒定等基本科学问题。