NIST成功研发全球最精确光学原子钟，精度达5.5×10???

美国国家标准与技术研究院（NIST）近期宣布，成功研制出目前全球最精确的时钟——一种新型光学原子钟。

该时钟的核心是一个被束缚的铝离子，其测量精度达到了惊人的5.5×10???，这意味着即使运行超过宇宙当前的年龄，误差也不会超过一秒。此外，该时钟的频率稳定性达到3.5×10???/√τ秒，比现有的其他离子钟稳定2.6倍。

光学原子钟的性能主要体现在两个方面：准确性，即接近真实时间的能力；以及稳定性，即保持时间测量一致的能力。

这项突破建立在过去20年持续对铝离子钟的激光系统、离子阱和真空系统不断优化的基础上。研究团队的主要成员Mason Marshall表示，参与打造目前最精确的计时装置令人振奋。

该时钟通过量子逻辑光谱学测量单个²?Al?离子的跃迁频率。同时，一个²?Mg?离子与铝离子共同被束缚，用来辅助冷却并读取铝离子的状态。

铝离子是理想的计时粒子，因为其跃迁频率极其稳定，不易受温度或磁场变化的影响。然而，它难以被激光直接操控。相比之下，镁离子更易处理，因此被用于冷却和间接读取铝离子信号。

团队的一项关键改进是将Rabi探测时间延长至1秒，相比早期的铝离子钟，这项调整将不稳定性降低了三倍。

此外，研究团队重新设计了离子阱，以减少不必要的微小运动，这些运动可能影响计时精度。他们采用更厚的钻石晶片，并优化了电极上的金涂层，以修正电场失衡的问题。

真空系统也进行了全面升级，使用钛材料使背景氢气含量降低了150倍，大幅减少了因碰撞导致的时间漂移，从而让时钟可以连续运行数天而无需重新加载离子。

研究人员还以高方向敏感性测量了射频陷阱中的交流磁场，并消除了由磁场方向带来的不确定性。

这些改进使该时钟在36小时内即可实现19位有效数字的测量精度，而此前需要三周时间才能达到同样的水平。研究者表示，依托这一平台，未来将进一步探索基于多离子或纠缠离子的新钟结构，以持续提升测量精度。