新加坡国立大学量子技术中心(CQT)的物理学家们挑选出了一种原子，可以让他们制造出更好的原子钟。CQT团队在《自然通讯》(Nature Communications)上的一篇报道称，一个以前被忽视的元素镥（Lu）可以改进当今最好的时钟。镥（Lu）是一种具有原子序数71的稀土元素。一个时钟的最终性能取决于原子的特性——原子对环境的不敏感。领导这项研究的Murray Barrett说：我把镥（Lu）放在它的课堂上，该小组发表于4月25日的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的数据显示，镥（Lu）对温度的敏感度比现在的原子钟要低。
新加坡国立大学(National University of Singapore)量子技术中心(Centre for Quantum Technologies)的研究人员正在使用元素lutetium（镥）构建一种先进的原子钟。图片：Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore
博科园-科学科普：这些测量结果增加了先前的结果，显示它可能是高性能时钟的基础。原子钟为测量时间设定了半个多世纪的全球标准。但是由于第二种方法是参照上世纪60年代的铯原子来定义的，因此在世界范围内存在着提高原子钟准确性和稳定性的竞争。铯钟发出的时间信号仍然支持全球定位系统，并有助于同步传输和通讯网络，但许多其他物种的原子，如镱、铝和锶，现在都在争夺时间的精确测量。
这些新一代时钟，其中一个部分的不确定性达到了十亿，这证明了他们在测试基本物理上的勇气——从测量重力到寻找基本常数的漂移。原子钟的“滴答”不是直接来自原子，而是来自光波的振荡。振荡频率是通过锁定原子的谐振频率来确定的。在实践中，这意味着激光被调谐使一个原子的电子从低能级跃迁到更高的能级。这个跳跃需要多少能量是原子的一个固定性质。激光的频率是匹配的，在单个光粒子(一个光子)中提供适当的能量。一旦发现了这个甜蜜点，时钟就通过测量光波的振荡来计时。
铯原子钟是在微波频率下运行，或者正好是每秒9192631770次。最新一代的原子钟是在光频率上运行的，它的速度快了1万倍。以较小的增量计算时间允许更精确的测量。镥（Lu）也会在光学频率上运行，但是制造好的时钟比快速的滴答声更重要——这些节拍也需要随着时间的推移而保持稳定。这就是镥（Lu）可能发光的地方。时钟频率不准确的一个来源是对周围环境温度的敏感性。巴雷特和他的同事们刚刚测量了这种“黑体辐射转移”对镥（Lu）的时钟跃迁的强度。这项为期六个月的研究，涉及一种类似于工业切割的高功率激光器，其结果是，一种能量级转换的黑体辐射转移比任何已建立的光学原子钟更接近于零。
第一作者凯尔·阿诺德说：我们已经明确地表明，对于所有已建立的原子钟来说，镥（Lu）是最不敏感的。这不仅使实验室的时钟更加精确，而且使实验室里的时钟更加实用，使它们能够在更广泛的环境中运行。在早期的论文中，研究小组报告了与制造时钟有关的镥（Lu）的其他性质，发现它们可以与当今最好的时钟原子竞争。巴雷特说：如果你能建立一个真正的镱时钟，将不可避免地建造一个更好的镥（Lu）时钟，或者至少它将是一个更容易的工作，可以建造一个同样好的镥（Lu）时钟。
目前，研究人员正在研究单个离子的时钟，但最终，他们希望基于晶格或许多离子的网络制造时钟。首先，它们以一种银白色的金属箔体作为白色的金属箔开始，然后将一些原子放入他们的设备中。团队成员没有意识到任何其他与镥（Lu）合作的小组。镥（Lu）没有尝试的一个原因是，它需要一种新技术，由巴雷特和他的合作者发现，以消除时钟中某些不准确的来源。这种“超精细平均技术”在早期的论文中有描述。巴雷特说：我不认为这是一件过于技术性、困难的事情，但我认为人们正在等着看这是如何实现的。
博科园-科学科普｜参考期刊：Nature Communications｜来自：新加坡国立大学
