原子鐘是一種利用原子量子特性產生高度穩定且準確頻率信號的儀器，也是目前測量時間最精確的工具。

近期，中國科學院國家授時中心（以下簡稱授時中心）在87Sr光晶格原子鐘系統領域取得了突破進展，使我國在光晶格鐘主要性能上達到世界領先水平，成為第二個實現光晶格鐘頻率不確定度和頻率不穩定度均優于2×10-18（相當于連續運行160億年誤差一秒）的國家。

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什么是“秒”？

時間的基本單位“秒”，是目前7個國際基本物理量單位中被測量得最準確的量。

目前，“秒”的定義為：位于海平面上的133Cs原子基態的兩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射9192631770個周期所持續的時間。

當前用于復現“秒”定義的裝置為133Cs噴泉原子鐘，其最小頻率不確定度為1×10-16，相當于連續運行3.2億年誤差一秒。在此基礎上要想進一步減小系統不確定度，提高“秒”的精度，面臨難以突破的挑戰。

2022年舉辦的第二十七屆國際計量大會（CGPM）通過“關于秒的未來重新定義”決議——將利用光鐘實現時間單位“秒”的重新定義，并計劃在2030年第29屆CGPM大會做出最終決定。而實現這一目標則要求世界上至少有三臺位于不同研究機構的光學原子鐘（基于相同的鐘躍遷）的系統不確定度小于2×10-18。

此前，國際上僅有美國實驗天體物理聯合研究所（JILA）研制的87Sr光晶格原子鐘和美國國家標準技術研究所（NIST）研制的171Yb光晶格原子鐘滿足這一要求。

授時中心最新研制的87Sr光晶格原子鐘，也能完全滿足這一要求，使2030年重新定義“秒”成為可能。

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技術融合實現高性能光晶格原子鐘

為了研制這臺光晶格原子鐘，研究團隊進行了多項技術融合。在頻率不確定度方面，研究人員創新性地深度融合了移動光晶格技術、法拉第籠技術、主動控溫熱屏腔技術以及淺光晶格等多項技術，有效解決了傳統原子鐘測量精度無法突破的難題，最終將總的頻率不確定度降低至1.96×10-18。

▲鍶光鐘物理裝置

在頻率不穩定度方面，研究團隊采用國產光纖激光器，為87Sr光晶格鐘的原子冷卻、量子態制備和鐘躍遷頻率測量提供光源。光纖激光器大的輸出功率、低的頻率噪聲和優秀的長期運行能力，將冷原子的制備時間減低至300ms以內，且讓整個系統具備長時間連續運行的能力。結合秒級不穩定度為4×10-16的窄線寬鐘激光系統，通過分時自比對測量技術，測量得到系統頻率不穩定度達到1.2×10-18，優于CGPM在“秒”定義變更的決議中對光學原子鐘的要求。

該高性能光晶格原子鐘的成功研制，進一步提升了我國在國際時間頻率領域的話語權，推進了國際“秒”定義變更的進程，保證了我國始終具備國家標準時間的自主校準能力，為相關基礎物理研究和工程技術應用提供必要的測量條件。

▲鍶光鐘頻率不穩定度測量

論文鏈接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/addc77

來源：中國科學院國家授時中心

責任編輯：宋同舟