光晶格钟

以光梳技术制成的光钟，300亿年产生1秒误差

“光晶格钟”以曾获得诺贝尔物理学奖的“光梳”技术为基础。日本在世界上首次利用镱原子开发出光晶格钟，这种光晶格钟理论上300亿年才会产生1秒误差。2003年，香取秀俊教授制作完成了首个“光晶格钟”。

原理

“光梳”拥有一系列频率均匀分布的频谱，这些频谱仿佛一把梳子上的齿或一根尺子上的刻度。

“光梳”可以用来测定未知频谱的具体频率，其精确度已经达到小数点后15位。

研究人员把用红色（负失谐即激光频率小于原子跃迁频率）激光冷却的超低温锶原子封闭到被称为“光晶格”的“容器”里，这样原子的各种外来扰动被消除，可以充当钟的振荡器。

发展历史

2005年-草创原理

截至2005年，世界上最精确的时钟是用原子量为133的铯原子制成的。据法国巴黎观象台宣布， 2005年应比平常年份多出1秒。这是因为地球自转受太阳和月球的引力、潮汐和大气的干扰等因素影响会减速。察觉到这一现象的是每天误差只有千万亿分之一秒的原子钟。人们把铯原子发出的电磁波振动周期的大约91.9倍定义为1原子秒。但“铯钟”有它的局限：和光波相比，电磁波的频率要低得多。日本科学家正致力于开发一种比原子钟还精确的时钟。它以获得2005年度诺贝尔物理学奖的“光梳”技术为基础。“光梳”可以用来测定未知频谱的具体频率，其精确度已经达到小数点后15位。日本科学家已经成功完成了“光晶格钟”的基础实验，他们的成果刊登在2005年5月19日出版的英国《自然》杂志上。

2009年-试制成功

2009年日本产业技术综合研究所宣布，该所研究人员在世界上首次利用镱原子开发出光晶格钟，这种光晶格钟运转60万年仅误差一秒。

产业技术综合研究所日前发布新闻公报介绍说，所谓原子钟就是以原子中电子的振动为振子的时钟，其中以电子振动非常迅速的光波段振动为振子的时钟称为光钟。光晶格钟是光钟的一种。

公报说，镱原子受黑体辐射的影响小，其核自旋也较小。从理论上讲，用镱原子制成的光晶格钟比传统的锶原子光晶格钟性能更高。但镱原子光晶格钟由于光源的开发非常困难，之前一直未能成功。

产业技术综合研究所研究人员开发出了独创的光源，并运用“光梳”技术、激光频率稳定技术等进行系统设计，成功将镱原子冷却到极低温状态，把它们封闭进被称为“光晶格”的“容器”里。

这样镱原子的各种外来扰动被消除，可以充当钟的振荡器。通过测定光晶格中的频谱，研究人员测得镱原子光晶格钟的误差为60万年一秒。

2013年-一致性测试

2013年7月9日，英国《自然》杂志网站称，法国巴黎天文台吉勒莫·洛德韦克和同事证明，两台先进的光晶格钟（OLC）的运行步调几乎完全一致，精确度最少可达1.5×10-16。

如果想用OLC重新定义秒的话，这种一致性测试必不可少，因此，这一最新研究有望让科学家们重新定义秒。

2015年-大为完善

2015年2月10日，日本东京大学量子电子学教授香取秀俊领导的研究小组宣布，已制作了2台“光晶格钟”，并相互确认了精确度。“光晶格钟”较定义时间基本单位1秒长度的铯原子钟精确100倍以上。据介绍，即使从138亿年前宇宙诞生时开始计时至今，2台“光晶格钟”之间的误差也将不足1秒，拥有高度一致性。

该成果发表在2015年2月9日的科学杂志《自然光学》（Nature Photonics）电子版上，较此前的世界最高精度记录提高了约30倍。