“光晶格鐘”以曾獲得諾貝爾物理學獎的“光梳”技術為基礎。日本在世界上首次利用鐿原子開發出光晶格鐘，這種光晶格鐘理論上300億年才會產生1秒誤差。
基本介紹
- 中文名：光晶格鐘
- 外文名：Optical Lattice Clock
原理,發展歷史,性能套用,研究成果,
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”可以用來測定未知頻譜的具體頻率，其精確度已經達到小數點後15位。
研究人員把用紅色（負失諧即雷射頻率小於原子躍遷頻率）雷射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擾
動被消除，可以充當鐘的振盪器。
發展歷史
2005年——草創原理
截至2005年，世界上最精確的時鐘是用原子量為133的銫原子製成的。據法國巴黎觀象台宣布， 2005年應比平常年份多出1秒。這是因為地球自轉受太陽和月球的引力、潮汐和大氣的干擾等因素影響會減速。察覺到這一現象的是每天誤差只有千萬億分之一秒的原子鐘。人們把銫原子發出的電磁波振動周期的大約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。日本科學家正致力於開發一種比原子鐘還精確的時鐘。 它以獲得2005年度諾貝爾物理學獎的“光梳”技術為基礎。“光梳”可以用來測定未知頻譜的具體頻率，其精確度目前已經達到小數點後15位。 日本科學家已經成功完成了“光晶格鐘”的基礎實驗，他們的成果刊登在2005年5月19日出版的英國《自然》雜誌上。
2009年——試製成功
2009年日本產業技術綜合研究所宣布，該所研究人員在世界上首次利用鐿原子開發出光晶格鐘，這種光晶格鐘運轉60萬年僅誤差一秒。
產業技術綜合研究所日前發布新聞公報介紹說，所謂原子鐘就是以原子中電子的振動為振子的時鐘，其中以電子振動非常迅速的光波段振動為振子的時鐘稱為光鐘。光晶格鐘是光鐘的一種。
公報說，鐿原子受黑體輻射的影響小，其核自旋也較小。從理論上講，用鐿原子製成的光晶格鐘比傳統的鍶原子光晶格鐘性能更高。但鐿原子光晶格鐘由於光源的開發非常困難，之前一直未能成功。
產業技術綜合研究所研究人員開發出了獨創的光源，並運用“光梳”技術、雷射頻率穩定技術等進行系統設計，成功將鐿原子冷卻到極低溫狀態，把它們封閉進被稱為“光晶格”的“容器”里。
這樣鐿原子的各種外來擾動被消除，可以充當鐘的振盪器。通過測定光晶格中的頻譜，研究人員測得鐿原子光晶格鐘的誤差為60萬年一秒。
2013年——一致性測試
2013年7月9日，英國《自然》雜誌網站稱，法國巴黎天文台吉勒莫·洛德韋克和同事證明，兩台先進的光晶格鐘（OLC）的運行步調幾乎完全一致，精確度最少可達1.5×10-16。
如果想用OLC重新定義秒的話，這種一致性測試必不可少，因此，這一最新研究有望讓科學家們重新定義秒。
2015年——大為完善
2015年2月10日，日本東京大學量子電子學教授香取秀俊領導的研究小組宣布，已製作了2台“光晶格鐘”，並相互確認了精確度。“光晶格鐘”較目前定義時間基本單位1秒長度的銫原子鐘精確100倍以上。據介紹，即使從138億年前宇宙誕生時開始計時至今，2台“光晶格鐘”之間的誤差也將不足1秒，擁有高度一致性。
該成果發表在2015年2月9日的科學雜誌《自然光學》（Nature Photonics）電子版上，較此前的世界最高精度記錄提高了約30倍。
由於“光晶格鐘”過於精密，此前在常溫下受到機器發出的微弱電磁波干擾，該研究組遂將計時部分置於零下180度的低溫下冷卻，進一步提高了精度，製作了40億年僅誤差1秒的2台“光晶格鐘”。
該研究組將2台“光晶格鐘”用光纜連線，運行約一個月並進行了計算，結果顯示2台鐘之間產生1秒誤差需要160億年。
銫原子鐘3000萬年會產生1秒誤差，而“光晶格鐘”理論上300億年才會產生1秒誤差。香取表示將爭取進一步提高精度。
性能套用
“光晶格鐘”以曾獲得諾貝爾物理學獎的“光梳”技術為基礎，理論上每天僅誤差10的負18次方秒，要比截至2013年之前的銫原子鐘精確1000倍。除用來測量時間外，由於其對重力的影響極其敏感，還可以用於驗證愛因斯坦的廣義相對論。
光晶格鐘
光晶格鐘研究成果
日本東京大學10日說，其研究小組與日本理化學研究所合作，開發出精確度極高的光晶格鐘，160億年才產生1秒誤差。這是在實驗中確認的迄今世界最高精確度。
光晶格鐘是一種原子鐘，世界各國都在大力進行研究。所謂原子鐘就是以原子中電子的振動為振子的時鐘，如果振動的頻率在光波段，時鐘就稱為光鐘，光晶格鐘是光鐘的一種。
現在，秒的定義是根據銫原子的電磁波周期數來決定，每3000萬年有1秒誤差。東京大學研究生院工學系教授香取秀俊率領的研究小組，選擇了比銫原子能更精密測量時間的鍶原子進行實驗，用雷射將鍶原子封閉在十萬分之二毫米左右的格子狀空間內，然後計算其振動數。
此前，由於封閉原子的外壁釋放電磁波會影響原子固有振動數，使振動數無法保持一致，這成為提高光晶格鐘精確度的最大難點。
研究小組注意到，在低溫環境下，原子不易受電磁波影響，為此開發出能在零下170攝氏度下工作的光晶格鐘，最終實現了160億年才有1秒誤差。
相關論文已刊登在新一期《自然·光子學》上。
