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德国科学家刷新世界纪录！新型光原子钟精度超凡
发布时间:
2025-02-07
据国外媒体消息，2025年1月17日，德国科学家在光学原子钟领域取得重大突破，开发出一种新型光原子钟，其精度达到前所未有的水平。这种下一代原子钟以激光频率“滴答”运行，其频率比目前用于定义秒的铯原子钟的微波频率快约10万倍。尽管光学原子钟仍处于评估阶段，但部分型号的精度已比铯原子钟高出100倍，有望成为未来国际单位制（SI）中“秒”定义的全球新标准。
据国外媒体消息，2025年1月17日，德国科学家在光学原子钟领域取得重大突破，开发出一种新型光原子钟，其精度达到前所未有的水平。这种下一代原子钟以激光频率“滴答”运行，其频率比目前用于定义秒的铯原子钟的微波频率快约10万倍。尽管光学原子钟仍处于评估阶段，但部分型号的精度已比铯原子钟高出100倍，有望成为未来国际单位制（SI）中“秒”定义的全球新标准。
然而，光学原子钟的广泛应用仍需通过反复测试和全球比对来验证其可靠性。德国联邦物理技术研究院（PTB）作为全球领先的研究机构之一，已开发出一系列令人瞩目的光学原子钟，包括单离子钟和光学晶格钟。如今，PTB科学家在一种新型离子晶体钟中再次证明了其高精度潜力，这种新型钟的精度可能比现行铯原子钟高出1000倍。
为了验证这一突破性成果，研究团队将新型离子晶体钟与其他光学原子钟进行了比对，并成功创造了新的精度记录。相关研究成果已发表在最新一期的《物理评论快报》上。
技术细节与创新突破
新型光原子钟的核心是一种由铟（In⁺）和镱（Yb⁺）离子组成的晶体结构。这些离子被捕获在真空室中的金电极之间，并通过电场控制在纳米级范围内。通过激光照射，科学家能够精确测量离子的量子态变化，从而实现高精度的时间测量。为了进一步提高性能，研究团队在晶体中加入了镱离子，以优化冷却效率。
PTB物理学家Jonas Keller解释道：“这种新型时钟通过并行化设计大幅缩短了测量时间。我们利用不同种类离子的优势，将铟离子的高精度特性与镱离子的高效冷却能力相结合，从而实现了更高的性能。”
挑战与解决方案
研发过程中，研究团队面临两大主要挑战：一是开发能够支持多离子晶体高精度运行的离子陷阱；二是设计实验方法，将冷却后的离子精确定位在晶体结构中。研究小组负责人Tanja Mehlstäubler及其团队通过创新的实验设计成功解决了这些问题，使时钟的精度达到了小数点后第18位。
全球比对与未来前景
在比对实验中，PTB的铟离子晶体钟与单离子镱钟、锶晶格钟以及铯喷泉钟进行了对比。结果显示，铟钟与镱钟的频率比首次达到了低于重新定义“秒”所需的不确定性阈值。这一成果标志着光学原子钟在精度和稳定性方面迈出了重要一步。
研究团队表示，这一新型时钟概念不仅适用于铟和镱离子，还为其他类型的离子钟开辟了新的可能性。未来，基于量子多体态或多离子系综的级联测量技术有望进一步提升光学原子钟的性能。
资助与支持
该研究得到了德国研究基金会（DFG）的资助，资助项目包括“量子前沿”卓越集群和DQ-mat合作研究中心。这一突破性成果不仅为时间测量领域树立了新标杆，也为量子技术的发展提供了重要支持。
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