NIST离子钟刷新最精准时钟纪录

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的科学家们通过一系列技术升级，使其铝离子钟的精度达到了小数点后19位，创造了新的世界纪录。这项成就不仅显著提升了时钟的稳定性，也大大缩短了测量时间，为重新定义“秒”这一基本单位以及探索如“基本物理常数是否会变化”等前沿科学问题铺平了道路。

新纪录：精度与稳定性的双重突破

NIST的铝离子钟在精度和稳定性两个关键指标上都取得了重大进展。

• 世界最佳精度：时钟的计时精度达到了小数点后19位，比之前的世界纪录高出41%。
• 超高稳定性：其稳定性是其他任何离子钟的2.6倍。

“能参与制造有史以来最精确的时钟，这令人兴奋。在NIST，我们得以执行这些长期的精密测量计划，从而推动物理学领域和我们对周围世界的理解。”

— Mason Marshall, NIST 研究员

工作原理：“量子逻辑”伙伴系统

铝离子本身是一个极佳的“钟摆”，其“滴答”频率非常稳定且高效。但它有一个缺点：很难直接用激光进行冷却和探测，而这是原子钟工作的必要步骤。

为此，研究团队采用了一种名为 “量子逻辑光谱学” 的伙伴系统：

• 铝离子 (Al+): 负责精准计时，但难以控制。
• 镁离子 (Mg+): 充当“伙伴”，虽然计时性能不如铝，但很容易用激光控制。

在这个系统中，镁离子帮助冷却铝离子，并与之同步运动。科学家通过观察镁离子的状态，就能间接读出铝离子的计时信息。

关键技术升级

为了达到创纪录的精度，团队克服了三大技术挑战。

1. 重新设计离子阱

原有的离子阱设计会导致离子产生微小的多余运动，即 “过剩微振动”，这会干扰离子的计时节律。

• 解决方案：团队重新设计了离子阱，使用了更厚的金刚石晶片和更优化的黄金涂层。这有效平衡了电场，让离子能够在一个更稳定的环境中“滴答”，不受干扰。

2. 升级真空室材料

传统钢制真空室会缓慢释放出氢气，这些氢气分子会与离子碰撞，中断时钟运行，导致每30分钟就需要重新加载离子。

• 解决方案：团队用 钛金属 重建了真空室，将背景氢气量减少了150倍。这使得时钟可以连续运行数天而无需重置。

3. 引入超稳定激光

之前的激光不够稳定，导致需要长达三周的时间来平均数据，以消除量子涨落带来的误差。

• 解决方案：团队与NIST的另一位科学家Jun Ye的实验室合作，通过一条3.6公里长的光纤，接入了世界上最稳定的激光之一。这使得单次探测时间从150毫秒延长到整整1秒，并将获得最终精确结果所需的 时间从三周缩短到了一天半。

未来展望：重新定义时间与探索新物理

这项成就不仅仅是刷新了一项纪录，它还为科学界带来了更强大的工具。

• 重新定义“秒”：更高精度的时钟是国际单位制中“秒”定义更新的基础。
• 探索基础物理：通过极高精度的测量，科学家可以检验物理学的基本假设，例如 自然界的基本常数是否恒定不变。
• 量子技术平台：它也是一个理想的量子逻辑试验平台，可用于探索新的量子物理概念，为未来的量子技术开发工具。