原子鐘準確性創新高頻率比值不確定度首次達到小數點後十八個位

科學家正在以空前準確度部署並比較不同基準的原子鐘，他們詳細比較了鋁、鍶、鐿的三種原子鐘，這些發現使到復現每秒定義的目標邁出極其重要的一步。有助於尋找暗物質，宇宙中難以捉摸的組成部分，並研究為部署可移動、機載、遠程原子鐘網絡奠定基礎。

原子鐘的準確度使其成為計時和其它精確測量的絕佳工具。原子鐘的運行是採用測量一種穩定的原子能級之間的躍遷頻率作為計時方法，經過改進後，這種計時方式遠比過去的天文鐘和石英震盪鐘都要精密和穩定得多。這是因為原子會在特定頻率發射和吸收光子，這個過程基本不會受任何環境因素的干擾。

之前科學家曾示範過頻率準確度達小數點後十八個位的原子鐘，超過了目前用於定義秒的銫原子鐘。不過，為了獲得更準確的秒定義，就必須對這些原子鐘進行比較。到目前為止，使用不同種類的原子頻率比值的最高測量準確度，能夠把測量不確定度降到小數點後十七個位。

來自美國國家標準與技術研究院、博爾德原子鍾光學網絡（Boulder Atomic Clock Optical Network）聯盟的研究人員，部署了一個由三種原子鐘組成的網絡。他們將這些原子鐘分別放置在美國科羅拉多州博爾德市各個地點的大樓裡，並比較了它們在2017年11月至2018年6月間各自的頻率比值。

研究團隊發現，他們在比較這些原子鐘時獲得的測量精度範圍，可以達到小數點後十八個位。這次報導的測量結果是頻率比值不確定度首次小於小數點後十七個位。

原子鐘可在未來的宇宙天體、人造衛星、地形地貌、半導體晶片等研究應用中發揮巨大價值。英國國家物理實驗室科學家李曹·高頓（Rachel M. Godun）認為，新的研究結果為未來部署原子鐘網絡奠定了基礎，該網絡將能用來測試標準模型之外的理論，並有望復現國際單位中一秒的定義。

【圖：博爾德原子鍾光學網絡聯盟；文：節錄自科學網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2021年3月24日出版的《自然》期刊