NIST铝离子钟创下全球最精准时钟新纪录

　　美国国度尺度与技能研究院（NIST）构建的铝离子钟创来世界最精准时钟纪录。研究团队经由过程革新离子阱设计、优化真空体系并引入更波动激光，使该离子钟的没有肯定度到达5.5×10^-19，至关于500亿年的计时误差没有凌驾1秒，较此前纪录超出跨越41%，且波动性晋升2.6倍。该研究鞭策了国际从头界说“秒”的进程，还为摸索量子物理学新观点、构建量子技能东西和地球测地学等供给了无力东西。该结果于7月14日颁发正在国际学术期刊《物理评论快报》上。

　　© Physical Review Letters 研究论文以《体系没有肯定度达 5.5×10^-19 的高波动性单离子钟 (High-Stability Single-Ion Clock with 5.5×10^-19 Systematic Uncertainty)》为题颁发于《物理评论快报》

　　光学钟凡是从两个层面举行评价——精确度（靠近抱负“真实”时间的水平）以及波动性（坚持频次一致性的才能）。铝离子的“滴答”频次极高，且相较于今朝用作“秒”的界说尺度的铯原子，铝离子的滴答频次越发波动，于是很是合适用作时钟。此外，铝离子对某些情况要素（如温度以及磁场）的敏理性也更低。

　　然而，用激光去探测以及冷却铝离子至关坚苦，而这些步骤对原子钟的运转是必不成少的。为此，研究团队引入了量子逻辑光谱（quantum logic spectroscopy）技能，将铝离子以及镁离子配对。虽然镁离子不铝离子那末优异的“滴答”机能，但它很容易被激光操控。镁离子卖力冷却铝离子，让它“慢上去”，并与铝离子同步静止。经由过程读取镁离子的静止状况，就能够直接读出铝离子的时钟旌旗灯号，从而组成了一个量子逻辑原子钟。

　　NIST 物理学家 David Hume 手持早先革新的铝离子钟离子阱。经由过程对该离子阱的优化改造，铝离子及其伙伴镁离子患上以完成无滋扰的“滴答”运转。图片来历: R. Jacobson/NIST

　　即便采纳了这一巧妙的要领，研究团队仍需求描画很多影响时钟机能的物理效应。此前的离子阱设计会招致离子产生弱小的分外静止，进而侵扰离子的“滴答”频次。这是由离子阱双侧的电场不服衡招致的。为相识决这一问题，团队从头设计了离子阱：将其装置正在更厚的金刚石晶片上，并调解电极上的金层厚度，以批改电场不服衡问题。团队还加厚了金层，以升高电阻。经由过程这些优化，离子的静止被进一步缓解，从而能更“宁静地滴答”。

　　此外，研究团队还短少一个要害因素：更波动的激光器，用于探测离子并记载其“滴答”频次。因为激光本身的没有波动性激发的量子涨降（即离子能级状况的随机短时变迁），先前的铝离子钟需运转数周能力将这些稳定平均化，以获得精确成果。为了缩短这一时间，研究团队与JILA（NIST与科罗拉多年夜学博尔德分校的结合研究机构）的叶军团队举行了互助。叶军团队的试验室领有寰球最波动的激光器之一，他们的锶光晶格钟曾坚持世界最精确原子钟的纪录。

　　叶军团队经由过程光纤路线，将超波动激光束从JILA传输至3.6千米外的NIST试验室中的光频梳安装。光频梳辅助研究团队将其激光与叶军试验室的超波动激光举行比拟，使患上后者的波动性患上以通报到前者上。有了这项革新，研究团队可以将离子的探测时间从原先的150毫秒延伸至1秒，显著晋升了时钟的波动性。原本需求三周能力丈量到小数点后19位的精度，此刻仅需一天半。

　　NIST铝离子钟中新革新的离子阱，图中嵌入图象显示了铝离子与镁离子对的 CCD 图象。圆圈标出了铝离子的位置，因为铝离子无奈被间接拍摄，必需经由过程镁离子以量子逻辑光谱技能直接读取，是以正在相机中浮现为暗点。图片来历：NIST

　　借助这一全新纪录，铝离子钟也对“秒”的从头界说做出了孝敬，其精确度将远超以后尺度，为迷信与技能前进斥地了新路径。这些技能进级还极年夜地加强了该原子钟作为量子逻辑试验平台的价值，可用于摸索量子物理新观点，并开发将来量子技能所需的要害东西。

　　更重要的是，将丈量时间从几周缩短到几天后，该原子钟将成为摸索地球测地学（如丈量地球重力势差）以及超出尺度模子物理的重要东西。例如，它可用于测试天然界的基本物理常数是否随时间变迁这一重要问题。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/hb3c-dk28

报导链接：

https://www.nist.gov/news-events/news/2025/07/nist-ion-clock-sets-new-record-most-accurate-clock-world