Precise atomic clock may redefine time
http://www.nature.com/news/precise-atomic-clock-may-redefine-time-1.13363為新的「秒」奠基的裝置
Philip Ball, 09 July 2013
Nature, doi:10.1038/nature.2013.13363
國際間對於「一秒鐘」的定義很可能會改頭換面，這得感謝一群研究者所示範的一種先進「原子鐘」，其精確性與穩定性足堪成為新標準。
巴黎天文台（Paris Observatory）的 Jerome Lodewyck 及其同僚已證明二套所謂的光學晶格鐘（optical lattice clocks，OLCs）能完美地使其步調維持在實驗所能確立精確度上（註 1）。他們表示，如果 OLCs 將用來重新定義「秒」（那目前根據另一種類型的原子鐘來定義），這種一致性測試是必要的。
Christopher Oates（NIST 的原子鐘時間標準專家）表示，這是 "非常漂亮而謹慎的研究，對於光學晶格鐘與一般光學鐘的可信度提供支持。"
從 1967 年以來，一秒鐘就被定義成當一個銫原子在二種特定能態間躍遷時，所吸收或發射之微波輻射經歷 9,192,631,770 次振盪所需要的時間。
目前測量這種頻率最準確的方式是在一個原子噴泉（atomic fountain）裡，在其中會有一道雷射光束將氣態銫之中原子往上推。當原子二次通過一道微波束時（一次是它們朝上時，另一次是它們在重力的影響下墜落時），測量來自原子的輻射。
在 NIST、巴黎天文台與他處，銫原子噴泉鐘被用來設立國家時間標準。
銫噴泉鐘約有 3 × 10^-16 的準確度。意思是，在超過 3 億年的時間內能維持時間（誤差）不超過一秒。但某些新型原子鐘甚至能做得更好。監測來自個別離子化原子的輻射（那被一電磁場所捕獲），可提供大約 10^-17 的準確度。
更好的計時
Lodewyck 等人所研究的鐘仍屬新型：它們首度示範的時間還不到十年以前（註 2）。雖然其準確度無法勝過「受陷離子鐘（trapped-ion clocks）」，不過它們經過證明能與銫噴泉鐘一較高下，而且某些研究者確信，它們終將成為最好的一種。
這裡有二大理由。首先，如同「受陷離子鐘」，他們測量的是可見光的頻率，那比微波高數萬倍。其次，他們從數千個而非一個被捕獲的原子測量平均發射頻率，故測量統計會更好。有許多原子被困在一個光學晶格內，那有點像一個用來維持住眾原子的「電磁」蛋盒。
如果 OLCs 要成功，研究者必須證明，這種鐘的滴答速率能與另一套以相同方式製備而成的鐘近乎相同。而這正是 Lodewyck 等人所證明的。他們所準備的光學晶格，每一個包含大約 1 萬個同位素鍶-87（strontium-87）原子，並證明這二個鐘至少能以 1.5 × 10^-16 的精確度維持同步，那與該實驗所能測量的一樣準確。
該團隊亦證明，他們的鍶 OLCs 能跟上三座巴黎天文台的銫原子鐘，準確度達到這些銫原子鐘本身所能主宰的根本極限。
更好的原子鐘將會是基礎科學的一大福利。例如，物理學家能使用這種鐘來研究大自然的某些基礎常數是否如同某些理論所預測的那樣，會隨時間而改變。
※ 相關參考：
＊ 註 1：Experimental realization of an optical second with strontium lattice clocks
http://www.nature.com/ncomms/2013/130709/ncomms3109/full/ncomms3109.html
R. Le Targat, L. Lorini, Y. Le Coq, M. Zawada, J. Guena,
M. Abgrall, M. Gurov, P. Rosenbusch, D. G. Rovera, B. Nagorny,
R. Gartman, P. G. Westergaard, M. E. Tobar, M. Lours,
G. Santarelli, A. Clairon, S. Bize, P. Laurent, P. Lemonde
& J. Lodewyck.
Nature Communications 4, 2109 (2013)
doi: 10.1038/ncomms3109
＊ 註 2：An optical lattice clock
http://www.nature.com/nature/journal/v435/n7040/full/nature03541.html
Masao Takamoto1, Feng-Lei Hong3, Ryoichi Higashi1
& Hidetoshi Katori.
Nature 435, 321-324 (19 May 2005)
doi: 10.1038/nature03541
＊ 時間反演：一個簡單的粒子能揭開新物理學
＊ 物理學家研究時間如何向前移動
＊ CGPM 開始更新國際度量衡系統
＊ 「Y2K 2.0」？讓一堆網路服務抓狂的閏秒
＊ 研究者首度完成凡得瓦力的直接測量
1 則留言:
1秒有多長 光晶格鐘更準
自由 2013.07.11
〔編譯管淑平／綜合報導〕法國科學家9日表示，「光晶格鐘」（optical lattice clock）通過精準度測試，顯示比1967年起採用至今的國際計時基準銫原子鐘還要精確，每3億年才會出現1秒的誤差。有「未來計時器」之稱的光晶格鐘可望改寫1秒的定義，成為新的計時基準。
巴黎天文台物理學家洛威茨克率領的研究團隊，在「自然通訊」（Nature Communications）期刊發表報告指出，將約1萬個鍶原子封閉在「光晶格」中，以雷射光束測量其振盪頻率，證實這種「光晶格鐘」的精確度是銫原子鐘的3倍。
以前用鐘擺的晃動來計時，如今則用原子的「震動」，也就是原子振盪來計時。洛威茨克團隊測量原子振盪的工具是雷射光束，目前國際計時基準銫原子鐘，則是利用微波輻射測量銫原子振盪頻率，振盪9192631770次定義為1秒，每1億年誤差1秒。
原子鐘的微波輻射頻率約為10千兆赫（Gigahertz），而雷射光束頻率高4萬倍，洛威茨克說，雷射光束振盪得比微波快得多，能將時間分割成更短的區間，亦即更精確地測量時間。
他的研究團隊也將兩套光晶格鐘互相比較，發現兩者在保持時間一致與穩定性上，都比同時相互比較的3套銫原子鐘好，穩定度與精準度對於建立「平均」時標同樣重要。
洛威茨克說，光晶格鐘僅問世10年，但表現越來越亮眼，如美國國家標準技術研究所（NIST）研發的鋁離子鐘已經能精確到每37億年誤差1秒的程度。
張貼留言