NIST 物理學家大衛·休謨 （David Hume） 持有新修改的鋁離子時鐘離子阱。通過修改陷阱，鋁離子及其鎂離子夥伴能夠不受干擾地“滴答”。圖片來源：R. Jacobson/NIST
世界上最精確的時鐘的新紀錄保持者。美國國家標準與技術研究院 （NIST） 的研究人員改進了基於捕獲鋁離子的原子鐘。作為最新一波光學原子鐘的一部分，它可以以19位小數的精度進行計時。
光鐘通常從兩個層面進行評估 — accuracy （clock 與測量理想的 true 時間有多接近，也稱為系統不確定性）和穩定性 （clock 測量時間的效率，與統計不確定性有關）。這一精度的新記錄來自鋁離子鐘 20 年的持續改進。
除了比之前記錄高 41% 的世界最佳精度外，這款新時鐘的穩定性也比任何其他離子時鐘高 2.6 倍。達到這些水平意味著要小心翼翼地改進時鐘的各個方面，從鐳射到陷阱和真空室。
該團隊已在 Physical Review Letters 上發表了其結果。
「研究有史以來最精確的時鐘令人興奮，」NIST 研究員、該論文的第一作者Mason Marshall 說。「在 NIST，我們可以在精密測量方面執行這些長期計畫，這些計畫可以推動物理學領域和我們對周圍世界的理解。」
鋁離子使時鐘非常好，具有極其穩定、高頻的「滴答作響」率。它的滴答聲比銫的滴答聲更穩定，銫提供了目前對秒數的科學定義，領導鋁離子鐘專案的 NIST 物理學家大衛·休姆 （David Hume） 說。鋁離子對某些環境條件（如溫度和磁場）不那麼敏感。
但鋁離子有點害羞，Marshall 解釋說。鋁很難用雷射光探測和冷卻，這兩者都是原子鐘的必要技術。因此，研究小組將鋁離子與鎂配對。鎂不具有鋁那樣美麗的滴答作響特性，但可以用雷射光輕鬆控制。
「這種離子的夥伴系統被稱為量子邏輯光譜學，」該專案的研究生 Willa Arthur-Dworschack 說。鎂離子冷卻鋁離子，使其減慢速度。它還與它的鋁夥伴同步移動，可以通過鎂離子的運動讀出時鐘的狀態，使其成為「量子邏輯」時鐘。
即使進行了這種協調，仍然有一系列物理效應需要表徵，該專案的研究生丹尼爾·羅德裡格斯·卡斯蒂略 （Daniel Rodriguez Castillo） 說。
「這是一個巨大而複雜的挑戰，因為時鐘設計的每個部分都會影響時鐘，」Rodriguez Castillo 說。
一個挑戰是容納離子的陷阱的設計，這會導致離子的微小運動，稱為過度微動，從而降低時鐘的精度。這種過度的微動會破壞離子的滴答率。捕集阱兩側的電氣不平衡會產生額外的磁場，從而擾亂離子。該團隊重新設計了陷阱，將其放在較厚的金剛石晶片上，並修改了電極上的金塗層，以修復電場的不平衡。
他們還使金塗層更厚以減少電阻。以這種方式改進離子阱會減慢離子的運動，讓它們不受干擾地「滴答作響」。
疏水閥必須運行的真空系統也造成了問題。Marshall 說，氫氣從典型真空室的鋼體中擴散出來。微量的氫氣與離子相撞，打斷了時鐘的運行。這限制了實驗在需要重新載入離子之前可以運行的時間。該團隊重新設計了真空室，並用鈦重建了真空室，從而將背景氫氣降低了 150 倍。這意味著他們可以連續幾天不重新載入陷阱，而不是每 30 分鐘重新載入一次。
他們還需要一種成分：一種更穩定的雷射器來探測離子並計算它們的滴答聲。2019 年版本的時鐘必須運行數周，以平均由其雷射器引起的量子漲落——離子能量狀態的臨時隨機變化。為了縮短時間，該團隊求助於 NIST 自己的 Jun Ye，他在 JILA（NIST 和科羅拉多大學博爾德分校的聯合研究所）的實驗室擁有世界上最穩定的雷射器之一。Ye 的鍶晶格鐘 Strontium 1 保持著之前的精度記錄。
這是團隊努力的結果。利用街道下的光纖鏈路，Ye 在 JILA 的小組將超穩定鐳射束發送到 NIST 的 Tara Fortier 實驗室的 3.6 公里（略多於 2 英里）的頻率梳。作為「光尺」的頻梳使鋁離子鐘組能夠將其雷射器與 Ye 的超穩定鐳射器進行比較。這個過程使 Ye 實驗室的雷射器能夠將其穩定性轉移到鋁製鐘錶雷射器上。
通過這一改進，研究人員可以探測離子整整一秒，而他們之前的記錄為150毫秒。這提高了時鐘的穩定性，將測量到小數點后 19 位所需的時間從三周縮短到一天半。
憑藉這一新記錄，鋁離子鐘為重新定義秒精度做出貢獻，從而促進了新的科學和技術進步。這些升級還大大改善了其作為量子邏輯測試台的用途，探索了量子物理學的新概念，並構建了量子技術所需的工具，這對參與者來說是一個令人興奮的前景。
更重要的是，通過將平均時間從幾周縮短到幾天，這個時鐘可以成為對地球大地測量學進行新測量和探索標準模型之外的物理學的工具，例如自然界的基本常數不是固定值而是實際變化的可能性。
Arthur-Dworschack 說：「借助這個平臺，我們準備探索新的時鐘架構，例如擴大時鐘離子的數量，甚至將它們糾纏在一起，從而進一步提高我們的測量能力。」
更多資訊：Mason C. Marshall 等人，具有 5.5×10−19 系統不確定性的高穩定性單離子時鐘，物理評論快報（2025 年）。DOI： 10.1103/hb3c-dk28
期刊資訊： Physical Review Letters