中国计量科学研究院院长方向:NIM6铯原子喷泉钟精准度有望达到1亿年不差一秒

物理学家制备了一个1米高的冷铯原子“喷泉”,它可以用来制造最精确的钟。6月7日出版的《物理评论快报》介绍说,新的“钟”将比其它已知的任何精确记时计精确10倍以上。
铯原子轨道上的电子就像微小的磁铁:都有北极和南极。当两个电子的磁性取向或者说自旋取向一致时,它们也会像两块普通的磁铁一样相互排斥,整个能量也因此升高。但是它们与日常生活中的磁铁有不同之处。量子力学要求,在一个原子的同一轨道上绕着原子核运动的两个电子要么取向完全一致,要么完全不一致,不会出现介于这二者之间的情况。量子法则还指出,要把一个电子激发到较高能态,也就是使它与另外一个电子磁性取向一致,所需的光的频率与能态间的能差成正比。
传统的原子钟的工作原理是调谐微波,直到微波在合适的频率激发铯原子束中的自旋。这使其提供了一个标准的频率,并可转变为较低的频率,以此测试时间。但原子束中的原子与微波的作用时间非常短暂,这局限了微波和原子作用所能达到的精度。
巴黎天文台的物理学家AndreClairon领导的研究组大大延长了微波和原子相互作用的时间。他们用两束激光,将含有60万个原子的单个铯原子“球”发射到真空中。原子在缓慢的升降过程中与微波作用两次,时间相隔半秒。通过调谐微波的频率使球中的所有原子被激发,光的频率可以几乎保持为9千兆赫的常数。Clairon的研究组比较了微波和氢激光以及其它三个独立的铯原子喷泉中微波的频率后,证实了这一点。
耶鲁大学的物理学家KurtGibble说Clairon的发明非常精确,惟一的局限在于原子本身固有的量子不确定性。Gibble解释说,球中原子发生碰撞,变换到激发原子所需的频率,从而引起了这种不确定性。他补充说,“但仍然存在一些技巧”来提高精度。Gibble预计新的“变戏法似的喷泉”,即在空中保留30个球并将其结果平均,在一年内将会把精度较单个喷泉提高10倍。

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铯原子喷泉钟是一种精密的计时器具,是原子钟的一种。铯原子喷泉钟的工作原理是利用磁光阱等方法将铯原子俘获、冷却,形成温度只有几微开的冷原子云,并通过与钟跃迁频率一致的微波激发原子,利用激光探测跃迁几率,将几率的变化反馈给微波频率,并将微波频率锁定至以秒定义的钟频率上。由于用激光冷却,使原子速度比传统设备中的原子速度降低了两个量级,从而提高了铯钟的准确度。

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虽然3000万年不差1秒在普通人眼中已经是极高精度,但对研究人员来说还不能满足。“在NIM5铯原子喷泉钟之后,我们紧锣密鼓地布局了NIM6铯原子喷泉钟的研制工作,将来还会有更多的迭代演进。”方向透露,NIM6铯原子喷泉钟目前正在评定认证过程中,今年有望投入使用。而与NIM5铯原子喷泉钟相较而言,6号有着飞跃性的创新发展,有望达到1亿年不差一秒甚至更精准。

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