原理
“光梳”擁有一系列頻率均勻分布的頻譜,這些頻譜仿佛一把梳子上的齒或一根尺子上的刻度。
“光梳”可以用來(lái)測(cè)定未知頻譜的具體頻率,其精確度已經(jīng)達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后15位。
研究人員把用紅色激光冷卻的超低溫鍶原子封閉到被稱為“光晶格”的“容器”里,這樣原子的各種外來(lái)擾
動(dòng)被消除,可以充當(dāng)鐘的振蕩器。
發(fā)展歷史
2005年——草創(chuàng)原理
截至2005年,世界上最精確的時(shí)鐘是用原子量為133的銫原子制成的。據(jù)法國(guó)巴黎觀象臺(tái)宣布, 2005年應(yīng)比平常年份多出1秒。這是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)受太陽(yáng)和月球的引力、潮汐和大氣的干擾等因素影響會(huì)減速。察覺(jué)到這一現(xiàn)象的是每天誤差只有千萬(wàn)億分之一秒的原子鐘。人們把銫原子發(fā)出的電磁波振動(dòng)周期的大約91.9倍定義為1原子秒。但“銫鐘”有它的局限:和光波相比,電磁波的頻率要低得多。日本科學(xué)家正致力于開(kāi)發(fā)一種比原子鐘還精確的時(shí)鐘。 它以獲得2005年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“光梳”技術(shù)為基礎(chǔ)。“光梳”可以用來(lái)測(cè)定未知頻譜的具體頻率,其精確度目前已經(jīng)達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后15位。 日本科學(xué)家已經(jīng)成功完成了“光晶格鐘”的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),他們的成果刊登在2005年5月19日出版的英國(guó)《自然》雜志上。
2009年——試制成功
2009年日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所宣布,該所研究人員在世界上首次利用鐿原子開(kāi)發(fā)出光晶格鐘,這種光晶格鐘運(yùn)轉(zhuǎn)60萬(wàn)年僅誤差一秒。
產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所日前發(fā)布新聞公報(bào)介紹說(shuō),所謂原子鐘就是以原子中電子的振動(dòng)為振子的時(shí)鐘,其中以電子振動(dòng)非常迅速的光波段振動(dòng)為振子的時(shí)鐘稱為光鐘。光晶格鐘是光鐘的一種。
公報(bào)說(shuō),鐿原子受黑體輻射的影響小,其核自旋也較小。從理論上講,用鐿原子制成的光晶格鐘比傳統(tǒng)的鍶原子光晶格鐘性能更高。但鐿原子光晶格鐘由于光源的開(kāi)發(fā)非常困難,之前一直未能成功。
產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所研究人員開(kāi)發(fā)出了獨(dú)創(chuàng)的光源,并運(yùn)用“光梳”技術(shù)、激光頻率穩(wěn)定技術(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),成功將鐿原子冷卻到極低溫狀態(tài),把它們封閉進(jìn)被稱為“光晶格”的“容器”里。
這樣鐿原子的各種外來(lái)擾動(dòng)被消除,可以充當(dāng)鐘的振蕩器。通過(guò)測(cè)定光晶格中的頻譜,研究人員測(cè)得鐿原子光晶格鐘的誤差為60萬(wàn)年一秒。
2013年——一致性測(cè)試
2013年7月9日,英國(guó)《自然》雜志網(wǎng)站稱,法國(guó)巴黎天文臺(tái)吉勒莫·洛德韋克和同事證明,兩臺(tái)先進(jìn)的光晶格鐘(OLC)的運(yùn)行步調(diào)幾乎完全一致,精確度最少可達(dá)1.5×10-16。
如果想用OLC重新定義秒的話,這種一致性測(cè)試必不可少,因此,這一最新研究有望讓科學(xué)家們重新定義秒。
2015年——大為完善
2015年2月10日,日本東京大學(xué)量子電子學(xué)教授香取秀俊領(lǐng)導(dǎo)的研究小組宣布,已制作了2臺(tái)“光晶格鐘”,并相互確認(rèn)了精確度。“光晶格鐘”較目前定義時(shí)間基本單位1秒長(zhǎng)度的銫原子鐘精確100倍以上。據(jù)介紹,即使從138億年前宇宙誕生時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)至今,2臺(tái)“光晶格鐘”之間的誤差也將不足1秒,擁有高度一致性。
該成果發(fā)表在2015年2月9日的科學(xué)雜志《自然光學(xué)》(Nature Photonics)電子版上,較此前的世界最高精度記錄提高了約30倍。
由于“光晶格鐘”過(guò)于精密,此前在常溫下受到機(jī)器發(fā)出的微弱電磁波干擾,該研究組遂將計(jì)時(shí)部分置于零下180度的低溫下冷卻,進(jìn)一步提高了精度,制作了40億年僅誤差1秒的2臺(tái)“光晶格鐘”。
該研究組將2臺(tái)“光晶格鐘”用光纜連接,運(yùn)行約一個(gè)月并進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果顯示2臺(tái)鐘之間產(chǎn)生1秒誤差需要160億年。
銫原子鐘3000萬(wàn)年會(huì)產(chǎn)生1秒誤差,而“光晶格鐘”理論上300億年才會(huì)產(chǎn)生1秒誤差。香取表示將爭(zhēng)取進(jìn)一步提高精度。
性能應(yīng)用
“光晶格鐘”以曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“光梳”技術(shù)為基礎(chǔ),理論上每天僅誤差10的負(fù)18次方秒,要比截至2013年之前的銫原子鐘精確1000倍。除用來(lái)測(cè)量時(shí)間外,由于其對(duì)重力的影響極其敏感,還可以用于驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。
研究成果
日本東京大學(xué)10日說(shuō),其研究小組與日本理化學(xué)研究所合作,開(kāi)發(fā)出精確度極高的光晶格鐘,160億年才產(chǎn)生1秒誤差。這是在實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)的迄今世界最高精確度。
光晶格鐘是一種原子鐘,世界各國(guó)都在大力進(jìn)行研究。所謂原子鐘就是以原子中電子的振動(dòng)為振子的時(shí)鐘,如果振動(dòng)的頻率在光波段,時(shí)鐘就稱為光鐘,光晶格鐘是光鐘的一種。
現(xiàn)在,秒的定義是根據(jù)銫原子的電磁波周期數(shù)來(lái)決定,每3000萬(wàn)年有1秒誤差。東京大學(xué)研究生院工學(xué)系教授香取秀俊率領(lǐng)的研究小組,選擇了比銫原子能更精密測(cè)量時(shí)間的鍶原子進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用激光將鍶原子封閉在十萬(wàn)分之二毫米左右的格子狀空間內(nèi),然后計(jì)算其振動(dòng)數(shù)。
此前,由于封閉原子的外壁釋放電磁波會(huì)影響原子固有振動(dòng)數(shù),使振動(dòng)數(shù)無(wú)法保持一致,這成為提高光晶格鐘精確度的最大難點(diǎn)。
研究小組注意到,在低溫環(huán)境下,原子不易受電磁波影響,為此開(kāi)發(fā)出能在零下170攝氏度下工作的光晶格鐘,最終實(shí)現(xiàn)了160億年才有1秒誤差。
相關(guān)論文已刊登在新一期《自然·光子學(xué)》上。
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