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NIST离子钟创下全球最精确时钟新纪录 -- NIST Ion Clock Sets New Record for Most Accurate Clock in the World

原文链接 | HN讨论 | 2025-07-16 01:59:46

文章摘要

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员成功改进了一种基于铝离子的原子钟，使其成为全球最精确的时钟，时间测量精度达到小数点后19位。这一突破不仅为重新定义“秒”提供了基础，还为探索物理学新领域开辟了道路。

文章总结

文章主要内容总结：

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员成功开发了目前世界上最精确的时钟——基于铝离子的原子钟。这一时钟的精度达到了小数点后19位，比之前的记录提高了41%，并且稳定性是其他离子钟的2.6倍。这一成就得益于20年来对铝离子钟的持续改进，包括激光、离子阱和真空室等各个方面的优化。

图片1：四位研究人员站在一台覆盖着电线和电子设备的大型科学仪器周围

铝离子钟的“滴答”频率极为稳定，且对温度和磁场等环境条件不敏感。然而，铝离子难以用激光探测和冷却，因此研究团队将其与镁离子配对，利用镁离子来冷却铝离子，并通过镁离子的运动读取时钟状态，这种技术被称为“量子逻辑光谱学”。

图片2：一位研究人员手持一个透明盒子中的小型方形设备，盒子内可见金色电子元件

研究团队还改进了离子阱的设计，解决了离子微小运动（称为“超微运动”）影响时钟精度的问题。通过加厚钻石晶片和修改电极上的金涂层，团队成功减少了电场的失衡，使离子能够不受干扰地“滴答”。

图片3：金属板上放置的扁平金色设备的特写照片，插图中显示灰色像素化图像和绿色圆圈

此外，团队还重新设计了真空室，改用钛材料制造，将背景氢气减少了150倍，从而延长了实验的运行时间。最后，团队使用了NIST的JILA实验室提供的超稳定激光，进一步提高了时钟的稳定性。

图片4：三位研究人员在悬挂的电线和其他电子设备中工作

这一新型铝离子钟不仅为重新定义“秒”提供了基础，还为探索量子物理新概念和开发量子技术工具提供了平台。通过将测量时间从几周缩短到几天，该时钟还可以用于地球大地测量学和探索超越标准模型的物理学。

研究团队表示，未来他们将继续探索新的时钟架构，如增加时钟离子的数量并使其纠缠，从而进一步提高测量能力。

论文信息： Mason C. Marshall等人，Physical Review Letters，2025年7月14日在线发表，DOI: 10.1103/hb3c-dk28

评论总结

  1. 原子钟的精确性与应用

    • mikewarot指出，即使微小的垂直位移（几厘米）也会因重力/时间膨胀效应而影响原子钟的测量精度，并提到个人可以购买铯原子钟。
      • 引用："a vertical shift of a few centimeters could be measured... just by the lesser gravity/time dilation at the increased 'altitude'."
      • 引用："you can have atomic cesium beam clocks of your own for a few thousand dollars each."
    • jasonthorsness提到铝原子钟比铯原子钟更精确，尽管使用难度更大，但相关技术问题已解决。
      • 引用："Aluminum is apparently just better than cesium but harder to use and now they have solved the problems preventing it from being the standard."

  2. 原子钟的技术发展与比较

    • infogulch讨论了基于原子核的新型原子钟，并好奇其与离子钟的精度对比。
      • 引用："they're working on a new type of atomic 'nuclear' clock based on the atomic nucleus instead of electron orbitals."
    • mlhpdx提出关于“时钟”与“时钟信号”的区分问题，类似于位置编码器的相对与绝对性。
      • 引用："Is it a 'clock' or a 'clock signal', in a similar sense that position encoders can be relative or 'absolute'?"

  3. 时间服务的访问与安全性

    • tguvot提到访问NIST NTP服务器需要通过邮寄或传真获取认证密钥，且当前处理速度可能较慢。
      • 引用："you need to send a letter to NIST using the US mail or FAX machine... The reply will be by US mail only."
    • throw0101c指出美国在高精度时间分发和抗干扰性方面落后于中国，后者拥有北斗系统、eLoran和光纤等多种技术。
      • 引用："China has space (BeiDou), terrestrial broadcast (eLoran), and fiber in production."
      • 引用："GPS/GNSS has major risks with it, and it seems to have become a single point of failure."

  4. 幽默与个人经历

    • graycat以幽默方式提到原子钟与天气变化的关系，并分享了自己在NIST的工作经历。
      • 引用："The weather was never like this before they started with those atomic clocks."
      • 引用："my first job was also at the NIST, in project using the Lamb dip in a Helium-Neon laser."

总结：评论主要围绕原子钟的精确性、技术发展、时间服务的访问与安全性展开，同时包含幽默与个人经历的分享。