英國研究人員推出超精密原子鐘，其體積小到足以手持
英國國家物理實驗室（NPL）的研究人員創造了一個微型原子噴泉鐘。它的尺寸只有普通手錶的 5%，但仍保持同樣的高精度時間。該時鐘的真空系統小了 20 倍，重量輕，可以用一隻手臂攜帶。儘管它很小，原子在微波腔中度過的時間與在全尺寸時鐘中花費的時間相同。這使得它能夠保持極其精確，精確到十分之一。 “通過從根本上簡化和縮小原子噴泉，我們正在使超精確計時技術超越國家實驗室。這為彈性基礎設施和下一代導航開闢了新的可能性，”該論文的主要作者 Sam Walby 博士在一份聲明中說。精密時鍾小型原子鐘利用原子吸收和發射的電磁輻射的頻率來測量時間。如今，第二個是由銫原子中特定的微波躍遷定義的。據《物理世界》（PW）報導，在傳統原子鐘中，銫原子穿過微波腔，反饋機制調整腔頻率以匹配原子躍遷，產生高度穩定的微波。早期的光束時鐘受到原子在腔內停留時間短和多普勒引起的位移的限制。噴泉鐘通過用激光冷卻原子並將其向上發射兩次穿過腔體（向上和向下）來提高精度，從而允許更長的相互作用時間。然而，速度較慢的原子會增加熱擴散，限制時鐘性能，並且需要採用真空、激光和微波系統的典型 2 米高裝置。 NPL 的研究人員開發了一種高度僅為 80 厘米的銣噴泉鐘，同時保持了 30 厘米的原子落差，將體積減少到僅為傳統銫噴泉鐘的 5%，創造了一種更加緊湊、精確和便於攜帶的計時儀器。緊湊的原子精度 NPL 團隊通過從設計中移除兩個傳統組件，實現了噴泉鐘的小型化。第一個是用於測量原子量子態的專用室，現在測量在冷卻室內進行。第二個是單獨的狀態選擇微波腔，傳統上用於為時鐘躍遷準備處於量子態的原子。據 PW 報導，在迷你噴泉中，這種狀態選擇是通過使用直接進入冷卻室的同軸電纜到波導適配器來完成的，從而產生正確頻率的行波微波。該設計還減少了磁屏蔽量，需要更仔細地考慮磁場邊緣效應。此外，光學系統大大簡化，並且使用商用組件使時鐘更易於操作且維護成本低。與傳統原子噴泉鐘相比，這些設計創新使緊湊型銣噴泉鐘能夠保持高精度，同時顯著降低尺寸、複雜性和操作要求。根據 NPL 的說法，該小型時鐘被設計為超穩定的保持裝置，每月將計時誤差保持在兩納秒以下，並且可以作為實現 SI 秒的輔助頻率標準。其高穩定性和精確度對於支持國家定位、導航和授時系統至關重要，特別是在全球基礎設施面臨 GNSS 中斷和網絡攻擊帶來的越來越大的風險的情況下。 NPL 團隊的研究細節發表在《應用物理快報》雜誌上。
已发布: 2026-01-22 17:01:00
