可移动光学晶格时钟让时间变得更精确丨Engineering( 二 ) 本文选自中国工程院院刊《E

在光学晶格时钟中，锶原子被激光捕获并固定在适当的位置。然而，这是一个非常微妙的操作。Lisdat说：“当激光与原子相互作用时，它会在原子想要到达的位置产生一个凹坑， ”但这个凹坑非常浅，这意味着原子必须被冷却到千分之几开尔文。还有一个更大的挑战，即在能量场中形成的凹坑会改变锶原子内部的电子的能级。换言之，将原子固定在适当位置的行为会改变你试图测量的量子跃迁的大小。
但是Katori和他的同事找到了一个巧妙的解决方案。发射光的频率是由锶原子内两个能级之间的差异决定的。通过仔细调整产生凹坑的激光频率， Katori以相同的量改变了这两个能级，从而消除了两种差异。Lisdat 声称：“它被称为‘神奇波长’是有明显原因的，你不仅无法改变频率，而且还会落入陷阱。”
光学晶格时钟技术于2003年获得首次展示，现在与单离子钟一样先进。Katori表示：“全世界有将近20个研发锶原子钟的组织，这些组织是推动重新定义秒的重要力量。”
然而，如果你只能将时钟同步到16位精度，那么18 位精度将会被浪费。这是目前卫星技术的局限，因为它们使用铯原子钟来计时。光纤技术更好，但它只能在中等距离范围内工作。欧洲的时钟可以互相同步，但美国的时钟却不能。
Katori的最新发明是一个可移动的锶原子钟。以前所有的光学晶格时钟都是房间大小的仪器，需要庞大的激光和冷却设备。在最近的研究中， Katori将整个包装减为三个盒子，总体积大约为1 m3 （图1）。为了使它们能够抵抗实验室外的振动，他的团队将激光器焊接在合适的位置，并取消了所有的调节旋钮。该仪器是通过互联网控制的。一个相当具有创意的想法是：使用一个隔热的“询问室”（interrogation chamber），将被捕获的锶原子与周围环境产生的黑体辐射隔离。锶原子首先被两个激光器以“神奇频率”（magic frequency）囚禁在屏蔽室外面的一个光学晶格中，然后通过使其中一个激光器稍微失谐而逐渐将锶原子移动到该室中。这就像把患者推进计算机轴向断层（CAT）扫描仪一样。英国量子技术中心传感器与时间中心首席研究员、英国伯明翰大学工程与物理科学学院创新主任Kai Bongs教授称：“这是一项绝对令人着迷的技术成就。”

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图1 Katori教授蹲坐在两个可移动的光学晶格原子钟之一的旁边，图中的这个是位于东京晴空塔顶部的原子钟（见图2），另一个在塔底部。这个塔利用时钟的能力来测量秒（精确到小数点后18位），这项实验测试了阿尔伯特·爱因斯坦对时间膨胀的预测，该原子钟是有史以来最精确的地面时钟。东京大学的Katori和他的同事制造的每一个可移动时钟都由三个盒子组成，总体积约为1 m3。图片来源：由Katori 提供
【可移动光学晶格时钟让时间变得更精确丨Engineering】Katori团队将其中一个时钟放在东京450 m高的晴空塔的顶部（图2），把另一个放在晴空塔底部。在这些不受控制的非实验室条件下，他测量了塔顶一秒钟和塔底一秒钟之间的差。爱因斯坦的相对论预言，由于时间膨胀效应，锶原子光在塔底的频率应该比在塔顶的频率低21.18 Hz ，这种效应假设越靠近地球中心，时间就越慢。依靠时钟的18位小数的测量精度和坚固耐用的设计， Katori的时钟所测量的结果与爱因斯坦相对论预言的结果高度切合。