日前美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）宣布成功打造了世界上最精準(zhǔn)的時(shí)鐘——一款新型光學(xué)原子鐘。

這款時(shí)鐘以單個(gè)被困鋁離子為核心，其時(shí)間測(cè)量精度極高，誤差僅為5.5×10-19，這意味著它需要比宇宙年齡更長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)一秒的誤差。

此外，它的頻率穩(wěn)定性為3.5×10-16/√τ秒，比其他任何離子鐘穩(wěn)定2.6倍。

光學(xué)原子鐘的性能主要取決于其準(zhǔn)確性（接近“真實(shí)”時(shí)間的程度）和穩(wěn)定性（測(cè)量時(shí)間的一致性）。

本次紀(jì)錄的達(dá)成得益于團(tuán)隊(duì)過(guò)去20年對(duì)鋁離子鐘的激光、離子阱和真空腔的持續(xù)改進(jìn)，NIST的研究員兼該研究的第一作者M(jìn)ason Marshall表示：“能夠參與打造史上最精準(zhǔn)的時(shí)鐘，這令人興奮不已。”

這款時(shí)鐘的工作原理是利用量子邏輯光譜學(xué)對(duì)單個(gè)2?Al?離子進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)，一個(gè)2?Mg?離子與鋁離子一起被困住，用于輔助冷卻和讀取鋁離子的狀態(tài)。

鋁離子非常適合用于計(jì)時(shí)，因?yàn)槠洹疤鴦?dòng)”非常穩(wěn)定，受溫度或磁場(chǎng)的影響較小，但很難用激光控制，而鎂離子更容易操控，因此用于輔助冷卻，并讓研究人員間接讀取鋁離子信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)的一個(gè)重要的升級(jí)是將Rabi探測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)至1秒，與早期的鋁離子鐘相比，這將不穩(wěn)定性降低了三倍。

研究團(tuán)隊(duì)還重新設(shè)計(jì)了離子阱，以減少多余的微運(yùn)動(dòng)，這些微小的不必要運(yùn)動(dòng)可能會(huì)干擾計(jì)時(shí)，還使用了更厚的鉆石晶片，并調(diào)整了電極上的金涂層以糾正電不平衡。

真空腔也經(jīng)過(guò)重建，使用鈦材料，將背景氫氣減少了150倍，并降低了碰撞位移，使時(shí)鐘能夠在不重新加載離子的情況下連續(xù)運(yùn)行數(shù)天。

此外，他們還以方向敏感的方式測(cè)量了射頻阱的交流磁場(chǎng)，消除了磁場(chǎng)方向引起的不確定性。

各項(xiàng)創(chuàng)新使得時(shí)鐘現(xiàn)在可以在36小時(shí)內(nèi)達(dá)到19位小數(shù)的精度，而不是之前的三周。研究員表示：“借助這個(gè)平臺(tái)，我們將探索多離子鐘甚至糾纏離子的新結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升測(cè)量能力?！?