关于创造下一代超高精度时钟的持续竞争已经达到了又一个重要的里程碑。7月14日，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 宣布，其新改进的光学原子钟现已成为世界上最精确的时钟。该时钟能够将计时精度维持到小数点后19位，这一突破比之前的记录提高了41%，同时比类似的离子钟的稳定性高出2.6倍。根据 NIST 的说法，实现其超高精度测量的关键在于一个非常“害羞”的铝离子。
什么是光学原子钟？
光学原子钟是相当复杂的设备。广义上讲，它们被设计用来追踪单个离子的振动——带净电荷的原子（通过获得或失去电子）。为了追踪离子的振动，原子被冷却到接近绝对零度（-459.67华氏度），然后用激光测量它们的振动。一个特定的振动次数，称为频率比，是衡量一秒钟的标准。几十年来，专家们一直将铯原子钟视为最精确的时间记录器，但技术进步正在帮助引入一种依赖于更稳定的铝离子的新型计时设备。
然而，铝很难处理。这种元素很难用激光测量，也很难冷却到绝对零度。但是，当与更易于控制的镁原子配对时，NIST 的研究人员发现他们可以利用铝的优势，同时减轻其弱点。
“这种离子之间的‘伙伴系统’被称为量子逻辑光谱学，”该研究的合著者 Willa Arthur-Dworschack 在一份伴随声明中解释道。
离子伙伴系统
这不像找到铝的最佳搭档那么简单。还有其他问题需要考虑，比如重新设计保持离子就位的那种离子阱。如果没有离子阱，被称为过度的微动（excess micromotions）的微小移动会降低时钟的精度。该机器的先前版本会产生不受欢迎的电不平衡，从而干扰离子。据该团队称，解决方案是采用一种新的离子阱示意图，其中包含更厚的金刚石晶片和经过修改的镀金电极。
其他改变包括改进的真空室系统，以及安装了一个更稳定的测量激光。最终，超过2英里长的激光束使研究人员能够测量一整秒的离子振动，而之前的记录是150毫秒。这使得测量到小数点后19位所需的时间从三周缩短到仅一天半。
这种重新校准秒的追求不仅仅是为了精确。更精确地测量时间可能带来新的科学和技术突破，并帮助研究人员解决量子物理学和计算领域的一些最大问题。对于 NIST 研究员兼该研究的第一作者 Mason Marshall 来说，最新的成就是令人兴奋的机会。
“我们有机会进行这些长期的精密测量计划，以推动物理学领域和我们对周围世界的理解，”他说道。
