美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家安德鲁·拉德洛的研究小组通过对两个镱原子光学晶格时钟进行比较，打破了原子能时钟最新的性能纪录。该照片前景中是在这两个时钟中所使用的激光系统，拉德洛身后是其中一台时钟的主要装置。
据《自然》杂志网络版11月28日刊发的一篇研究论文称，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, 简称NIST）的原子钟实验打破了三项之前创造的性能纪录。这些时钟目前的精准程度不仅可以改善计时和导航功能，还可以用于探测到来自引力、早期宇宙甚至暗物质的微弱信号。
在实验中，每个时钟在其光学晶格——由激光束构成的栅格——中捕获囚禁了1000个镱原子，这些原子的“嘀嗒”转动是通过振动或在两个能级之间切换来进行的。通过比较两个独立的时钟的运转数据，NIST的物理学家们在系统性的不确定性、稳定性和可重复性等三个重要测量指标上取得了该类型时钟性能表现的最新纪录。
该研究项目的负责人安德鲁·拉德洛（Andrew Ludlow）介绍道：“系统性的不确定性、稳定性和可重复性可以被认为是这些原子能时钟性能的‘同花顺’，我们把其中两个时钟在这一空前水平上所具有的一致性称可重复性——这或许是最重要的研究成果，因为它在本质上要求以另外两个结果为基础，并且对它们进行了反证。”
拉德洛进一步指出：“这一点千真万确，因为被证实的可重复性表明，这些时钟的总误差率已经低到不会影响我们计算引力对地球上时间造成影响的总体能力。因此，当我们设想这样的时钟在全美国乃至世界各地被广泛使用时，它们的相对性能表现才将首次受到地球引力效应的限制。”爱因斯坦的相对论曾预言，原子钟的“滴答”转动在更强的引力作用下会减弱变慢——原子振动的频率向电磁波谱的红端移动。换句话说，在地球上的低海拔地区，时间会过得更慢些。
尽管这些所谓的“红移”降低了时钟的计时能力，但是这一灵敏度同样也可以反过来被用于精确地测量重力。超灵敏的原子钟能够比以往任何时候都更精确地反映时空的引力畸变。它的应用领域包括测量地球引力形态的“相对论测地学”(relativistic geodesy)、探测来自宇宙早期如引力波的信号，以及寻找尚未被人类科学所解释的“暗物质”。NIST的镱原子时钟的功能目前已经超出了测量大地水准面的常规能力——利用基于海平面的潮汐测量仪对地球形状进行测量的能力。假如将这些时钟放置在相隔很远的地区（如在不同大陆上），然后再进行比较，可以将测地精度提高到1厘米以内，这要比目前几厘米的全球最好水平还要精确不少。
研究人员表示，与过去十年间NIST和世界各地其他实验室所公布的原子钟性能纪录数据相比，这篇最新的论文所阐述的可重复性位于很高的水平，而对两个时钟进行比较是评估原子钟性能的一个传统方法。另外，NIST在最新款的镱原子钟上的改进之一是添加了热屏蔽和电屏蔽，这种包裹原子的屏蔽可以保护原子不受杂散电场的影响，从而让研究人员能够更好地描述和校正由热辐射引起的频移。
NIST正在建造一种在全球性能最为先进的便携式镱原子晶格时钟，这种时钟可以被运输到世界各地的其他实验室进行时钟的比较研究，以及其他的地点进行相对论测地技术的探索。
科界原创 编译：朱明逸 审稿：三水 责编： 唐林芳
期刊来源： 《自然》（Nature）
期刊编号： 0028-0836
原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181128141833.htm
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