科学家研发首台低温单离子光学原子钟，精度较现有设备提升百倍

IT之家 11 月 18 日消息，据 Interesting Engineering 报道，加拿大多伦多大学物理学家公布了一项突破性成果：他们成功研制出全球首台低温单离子光学原子钟，其工作环境冷却至仅高于绝对零度 5 开尔文（−268.15°C），有望将时间测量精度提升至当前国际标准铯原子钟的 100 倍。此项进展标志着全球时间基准体系迈向新一代技术的关键一步，或将彻底取代沿用数十年的传统铯钟。

该新型原子钟不仅有望重新定义“秒”的基准，更将为物理学基础研究、全球卫星导航、高速通信网络以及各类高精度测量提供前所未有的时间基准支撑。

“时间与频率的精确测量，构成了整个物理量度体系的基石，”多伦多大学物理系实验物理学家阿马尔・武萨（Amar Vutha）教授指出，“因此，提升计时装置的精度，即为所有物理测量构筑更坚实可靠的基础。”

武萨教授与其博士研究生高桥孝宏（Takahiro Tow）在他们实验室先前研究的基础上，制造出了一种利用单个捕获的锶原子来稳定光学激光器的设备。

据IT之家了解，从单摆钟、石英表到原子钟，一切计时装置均依赖某种稳定、周期性重复的物理现象。“一台优质时钟的关键，在于其周期性事件必须高度稳定，绝不能时快时慢。”武萨解释道。

在原子钟中，“滴答”计时源于激光电磁振荡频率；而原子则充当“稳定器”：“原子的量子跃迁振动如同精密调音叉，使激光频率始终保持‘在调’状态。”

早期原子钟采用微波频段，后发展为可见光激光，每一代技术跃迁均使频率稳定性提升数个数量级。如今最先进的光学时钟精度可达 18 位小数，相当于以百万分之一毫米的精度测量地月距离。

然而，即便如此卓越的装置仍面临一个共同的局限：热扰动。用于调节光学时钟的原子会受到周围部件（包括容纳它们的金属真空室）所发出的红外辐射的干扰。

“现行光学原子钟中的调节原子，仍会因邻近物体发出的红外辐射（即热量）而受到扰动，”武萨强调，“一旦‘调音叉’自身失准，整个时钟的稳定性便无从谈起。”

多伦多团队的突破性在于：将捕获的单个锶离子冷却至 5 K 以下，极大抑制了热辐射，彻底消除了频率漂移的核心来源之一。在此低温环境下，原子可更持久、更精准地履行其“量子调音叉”职能，显著提升系统长期稳定性。

超高精度计时会产生一系列科学影响。像安培和伏特这样的基本电学标准，就依赖于极其精确的时间和频率测量。“安培作为电流标准，其定义需精确计量单位时间内流经导体的电子数目，”武萨指出，“而这必须建立在高精度时间标尺的基础之上。”

而超精密原子钟最具深远意义的潜在应用，在于检验自然界最根本的物理假设。

“新一代光学钟迄今最成功的应用，是检验自然界的‘基本物理常数’是否真正恒定不变，”武萨表示。这类常数包括光速与普朗克常数等，“要开展此类基础性检验，目前别无他法，唯有借助原子钟。”