美研制高精度原子钟，推动时间标准革新

折袖大人

美国国家标准与技术研究院的研究团队在原子钟技术方面取得了显著进展。2024年7月14日，该团队在学术期刊发表研究成果，宣布通过将铝离子稳定于离子阱中，成功提升了原子钟的精确度，使其达到小数点后19位的精度，打破了此前纪录。这一成果有望为“秒”这一时间单位的重新定义提供依据，并推动量子科技的发展。
新研制的原子钟在光学时钟的关键性能指标——准确度和稳定性方面均取得突破。其准确度较先前纪录提升了41%，而稳定性也达到其他类型原子钟的2.6倍。研究人员认为，这项技术进步不仅能拓展基础物理研究的边界，还将为探索自然规律提供全新的工具。
铝离子因其优异的特性被选作核心材料。其振荡频率比目前用于定义“秒”的铯原子更加稳定，且对外界干扰的抵抗能力更强。经过持续20年的优化，研究人员在激光系统、离子阱结构以及真空环境等方面进行了大量精密改进。
团队采用了更厚的金涂层工艺来制造离子阱，有效降低了电阻，从而减少铝离子受到的扰动。同时，真空系统的材料也从传统钢材更换为钛合金，使氢气渗透量大幅减少至原来的1/150。此外，通过长达3.6公里的光纤连接，研究团队整合了与科罗拉多大学博尔德分校共建的联合实验室所拥有的高稳定性激光系统，进一步提高了对铝离子振荡频率的测量精度。
这些改进使单次测量的时间从原来的0.15秒延长至1秒，显著增强了系统稳定性，同时将实现小数点后19位精度所需的时间由三周缩减至一天半。
研究人员指出，这项进展将在多个领域产生深远影响。更高精度的原子钟有助于实现更精准的“秒”定义，推动相关技术革新。同时，该系统还可作为量子逻辑测试平台，促进量子物理研究的新发展。除此之外，它还能用于探测地球重力场的微小变化，并有可能揭示超出标准模型之外的物理现象。