近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员对其基于囚禁铝离子的原子钟进行了技术升级。这款最新一代的光学原子钟，其计时精度高达小数点后19位，刷新了世界纪录，成为迄今为止最精确的光学原子钟！
光学原子钟的性能通常从两个方面来衡量：一是准确度，二是稳定度。此次准确度纪录的刷新，得益于团队对铝离子钟长达20年的持续改进。离子钟便是原子钟的一种，它特指使用带电离子（如铝离子）作为计时基准的光学原子钟。除了创下全球最高的准确度（比上一项纪录提升了41%），这款新时钟的稳定度也是其他离子钟的2.6倍。如此卓越的性能，源于对系统各个细节的优化，包括激光器、离子阱和真空腔体等。相关研究成果发表在Physical Review Letters。
NIST物理学家David
Hume展示新改造的离子阱
铝离子能构成一台性能卓越的原子钟，其“振动”频率极高且极其稳定。David Hume指出，铝离子的计时稳定性超过了目前用于“秒”定义标准的铯原子。此外，铝离子对温度、磁场等环境因素的敏感性也较低。不过，Mason Marshall解释说，铝离子在操控方面相对“内向”。原子钟运行所必需的两项关键技术，即激光探测和激光冷却，都难以直接作用于铝离子。
为此，研究团队采用了“搭档”策略，将铝离子与镁离子配对使用。虽然镁离子的计时性能不如铝离子出色，但它可以方便地通过激光进行操控，从而间接实现对铝离子的有效控制。项目研究生Willa Arthur-Dworschack介绍道：“这种离子间的‘搭档机制’被称为量子逻辑光谱学。”在该系统中，镁离子用于冷却铝离子，使其运动减缓，并与铝离子实现协同运动。通过探测镁离子的运动状态，研究人员便能间接读取铝离子的时钟信息，因此这类时钟被称为“量子逻辑钟”。该项目的另一位研究生Daniel Rodriguez Castillo补充道，即便采用了这种协同机制，仍需对大量物理效应进行精确表征，以确保系统的整体性能。他表示：“这是一个庞大而复杂的挑战，因为时钟设计中的每一个环节都可能对最终的性能产生影响。”其中一个关键挑战来自离子囚禁装置，即离子阱的设计。该阱引发的离子微小运动（称为“额外微运动”），会进而降低原子钟精度。
为了解决这一问题，研究团队重新设计了离子阱。他们将阱体构建在更厚的金刚石衬底上，并优化了电极的镀金层，以矫正电场的不均衡，同时加厚镀层以降低电阻。通过这些工程优化，成功抑制了离子的多余运动，使其能在近乎无扰动的状态下稳定“计时”。下图展示了NIST铝离子钟采用的新型离子阱装置：主图为全新的离子阱结构，放大图则由CCD相机拍摄，标记出了铝-镁离子对的位置。由于铝离子（图中暗点）无法直接被相机探测，其状态需通过与之配对的镁离子（图中亮点），借助量子逻辑光谱学技术进行间接读取。
离子阱运行对其所依赖的真空系统也带来了一定挑战。Mason Marshall指出，在传统的钢制真空腔体中，氢气会缓慢从腔壁中逸出。这些微量氢气与离子发生碰撞，会干扰时钟的正常运行，导致实验只能在重新加载离子前维持较短时间。为了解决这一问题，研究团队重新设计了真空腔体，改用钛金属材料制造，使背景氢气水平降低了150倍。这一改进将离子阱的单次运行时间从原先的30分钟延长至数天，无需频繁重新加载离子。
除了真空环境的优化，他们还需解决一个关键环节——需要更稳定的激光器来探测离子并计量其振动。2019版原子钟为消除激光引发的量子涨落（即离子能量态的短暂随机变化），需连续运行数周进行数据平均。为缩短该时间，团队求助于NIST的Jun Ye，其所在的美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校联合研究所（JILA）拥有全球最稳定的激光系统之一。
该项目的推进离不开多个团队的紧密协作。Jun Ye团队通过铺设在街道下方的光纤链路，将超稳定激光束传输至3.6 km外的NIST Tara Fortier实验室，并注入该实验室的光频梳系统中。光频梳被称为“光的标尺”，能将不同频率的激光精确比较。借助该系统，铝离子钟团队实现了其激光器与Jun Ye团队激光的频率同步，成功“复制”了激光的超高稳定性。
通过这项关键改进，研究人员将单次离子探测的时间从150 ms大幅延长至1 s，不仅显著提高了时钟的稳定性，也将测量精度达到小数点后第19位所需的时间，从三周大幅缩短至仅一天半。
凭借这一新纪录，铝离子原子钟助力国际上更高精度的‘秒’重新定义。相关升级不仅显著提升了其作为量子逻辑实验平台的性能，还为探索量子物理新概念和构建量子技术所需的核心工具提供了强有力的支撑。更为关键的是，借助这一技术突破，这款时钟有望成为开展高精度地球大地测量的强大工具，同时也为探索超越粒子物理标准模型的新理论提供可能，例如验证“自然界的基本常数并非绝对恒定，而可能随时间发生变化”这一假说。Willa Arthur-Dworschack表示：“基于这一平台，我们已做好准备，进一步探索全新的时钟架构，例如扩展时钟离子的数量规模，甚至实现它们之间的量子纠缠，从而持续提升整体测量能力。”
