耗时20年:NIST打造世界上最精准时钟!
9月12日消息,美国国家标准与技术研究院(NIST)成功打造了世界上最精准的时钟——一款新型光学原子钟。
这款时钟以单个被困铝离子为核心,其时间测量精度极高,误差仅为5.5×10-19,这意味着它需要比宇宙年龄更长的时间才会出现一秒的误差。
此外,它的频率稳定性为3.5×10-16/√τ秒,比其他任何离子钟稳定2.6倍。

光学原子钟的性能主要取决于其准确性(接近“真实”时间的程度)和稳定性(测量时间的一致性)。
本次纪录的达成得益于团队过去20年对铝离子钟的激光、离子阱和真空腔的持续改进,NIST的研究员兼该研究的第一作者Mason Marshall表示:“能够参与打造史上最精准的时钟,这令人兴奋不已。”
这款时钟的工作原理是利用量子逻辑光谱学对单个²?Al?离子进行测量,同时,一个²?Mg?离子与铝离子一起被困住,用于辅助冷却和读取铝离子的状态。
铝离子非常适合用于计时,因为其“跳动”非常稳定,受温度或磁场的影响较小,但很难用激光控制,而镁离子更容易操控,因此用于辅助冷却,并让研究人员间接读取铝离子信号。
研究团队的一个重要的升级是将Rabi探测时间延长至1秒,与早期的铝离子钟相比,这将不稳定性降低了三倍。

研究团队还重新设计了离子阱,以减少多余的微运动,这些微小的不必要运动可能会干扰计时,还使用了更厚的钻石晶片,并调整了电极上的金涂层以纠正电不平衡。
真空腔也经过重建,使用钛材料,将背景氢气减少了150倍,并降低了碰撞位移,使时钟能够在不重新加载离子的情况下连续运行数天。
此外,他们还以方向敏感的方式测量了射频阱的交流磁场,消除了磁场方向引起的不确定性。
各项创新使得时钟现在可以在36小时内达到19位小数的精度,而不是之前的三周。研究员表示:“借助这个平台,我们将探索多离子钟甚至纠缠离子的新结构,进一步提升测量能力。”

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