光晶格钟

　　原理

　　“光梳”拥有一系列频率均匀分布的频谱，这些频谱仿佛一把梳子上的齿或一根尺子上的刻度。

　　“光梳”可以用来测定未知频谱的具体频率，其精确度已经达到小数点后15位。

　　研究人员把用红色激光冷却的超低温锶原子封闭到被称为“光晶格”的“容器”里，这样原子的各种外来扰

　　动被消除，可以充当钟的振荡器。

　　发展历史

　　2005年——草创原理

　　截至2005年，世界上最精确的时钟是用原子量为133的铯原子制成的。据法国巴黎观象台宣布， 2005年应比平常年份多出1秒。这是因为地球自转受太阳和月球的引力、潮汐和大气的干扰等因素影响会减速。察觉到这一现象的是每天误差只有千万亿分之一秒的原子钟。人们把铯原子发出的电磁波振动周期的大约91.9倍定义为1原子秒。但“铯钟”有它的局限：和光波相比，电磁波的频率要低得多。日本科学家正致力于开发一种比原子钟还精确的时钟。 它以获得2005年度诺贝尔物理学奖的“光梳”技术为基础。“光梳”可以用来测定未知频谱的具体频率，其精确度目前已经达到小数点后15位。 日本科学家已经成功完成了“光晶格钟”的基础实验，他们的成果刊登在2005年5月19日出版的英国《自然》杂志上。

　　2009年——试制成功

　　2009年日本产业技术综合研究所宣布，该所研究人员在世界上首次利用镱原子开发出光晶格钟，这种光晶格钟运转60万年仅误差一秒。

　　产业技术综合研究所日前发布新闻公报介绍说，所谓原子钟就是以原子中电子的振动为振子的时钟，其中以电子振动非常迅速的光波段振动为振子的时钟称为光钟。光晶格钟是光钟的一种。

　　公报说，镱原子受黑体辐射的影响小，其核自旋也较小。从理论上讲，用镱原子制成的光晶格钟比传统的锶原子光晶格钟性能更高。但镱原子光晶格钟由于光源的开发非常困难，之前一直未能成功。

　　产业技术综合研究所研究人员开发出了独创的光源，并运用“光梳”技术、激光频率稳定技术等进行系统设计，成功将镱原子冷却到极低温状态，把它们封闭进被称为“光晶格”的“容器”里。

　　这样镱原子的各种外来扰动被消除，可以充当钟的振荡器。通过测定光晶格中的频谱，研究人员测得镱原子光晶格钟的误差为60万年一秒。

　　2013年——一致性测试

　　2013年7月9日，英国《自然》杂志网站称，法国巴黎天文台吉勒莫·洛德韦克和同事证明，两台先进的光晶格钟（OLC）的运行步调几乎完全一致，精确度最少可达1.5×10-16。

　　如果想用OLC重新定义秒的话，这种一致性测试必不可少，因此，这一最新研究有望让科学家们重新定义秒。

　　2015年——大为完善

　　2015年2月10日，日本东京大学量子电子学教授香取秀俊领导的研究小组宣布，已制作了2台“光晶格钟”，并相互确认了精确度。“光晶格钟”较目前定义时间基本单位1秒长度的铯原子钟精确100倍以上。据介绍，即使从138亿年前宇宙诞生时开始计时至今，2台“光晶格钟”之间的误差也将不足1秒，拥有高度一致性。

　　该成果发表在2015年2月9日的科学杂志《自然光学》（Nature Photonics）电子版上，较此前的世界最高精度记录提高了约30倍。

　　由于“光晶格钟”过于精密，此前在常温下受到机器发出的微弱电磁波干扰，该研究组遂将计时部分置于零下180度的低温下冷却，进一步提高了精度，制作了40亿年仅误差1秒的2台“光晶格钟”。

　　该研究组将2台“光晶格钟”用光缆连接，运行约一个月并进行了计算，结果显示2台钟之间产生1秒误差需要160亿年。

　　铯原子钟3000万年会产生1秒误差，而“光晶格钟”理论上300亿年才会产生1秒误差。香取表示将争取进一步提高精度。

　　性能应用

　　“光晶格钟”以曾获得诺贝尔物理学奖的“光梳”技术为基础，理论上每天仅误差10的负18次方秒，要比截至2013年之前的铯原子钟精确1000倍。除用来测量时间外，由于其对重力的影响极其敏感，还可以用于验证爱因斯坦的广义相对论。

　　研究成果

　　日本东京大学10日说，其研究小组与日本理化学研究所合作，开发出精确度极高的光晶格钟，160亿年才产生1秒误差。这是在实验中确认的迄今世界最高精确度。

　　光晶格钟是一种原子钟，世界各国都在大力进行研究。所谓原子钟就是以原子中电子的振动为振子的时钟，如果振动的频率在光波段，时钟就称为光钟，光晶格钟是光钟的一种。

　　现在，秒的定义是根据铯原子的电磁波周期数来决定，每3000万年有1秒误差。东京大学研究生院工学系教授香取秀俊率领的研究小组，选择了比铯原子能更精密测量时间的锶原子进行实验，用激光将锶原子封闭在十万分之二毫米左右的格子状空间内，然后计算其振动数。

　　此前，由于封闭原子的外壁释放电磁波会影响原子固有振动数，使振动数无法保持一致，这成为提高光晶格钟精确度的最大难点。

　　研究小组注意到，在低温环境下，原子不易受电磁波影响，为此开发出能在零下170摄氏度下工作的光晶格钟，最终实现了160亿年才有1秒误差。

　　相关论文已刊登在新一期《自然·光子学》上。