【一頁物理】光鐘閃耀計時新未來

■ 加拿大國家研究院（NRC）的研究人員完成一個重要的里程碑，發展新的全球計時標準。

　　加拿大渥太華市 （Ottawa）的NRC國家量度標準研究所（NRC Institute for National Measurement Standards, NRC-INMS）今年五月成功地捕獲並分離出鍶（strontium）的單一離子，並使用影像攝影系統（imaging camera system）和光子計數光電倍增管（photon-counting photomultiplier）來偵測它的螢光。這項成果代表朝向團隊目標的重大進展，旨在建立、運作及評估一個極為精確的光原子鐘（optical atomic clock），並且最終可能會有助於開拓物理學的新領域。

【光鐘是什麼？】

　　所有的時鐘都有兩個主要組成部份：產生精確時間間隔的方法，以及計數時間間隔的方法。機械鐘內有鐘擺以一秒的時間間隔來回擺動，而齒輪記錄著鐘擺擺動的次數。

　　NRC 的光鐘產生極小的時間間隔，特別是從光頻標準產生的振盪光波的規律週期，這個光頻標準是以鍶離子吸收光來控制的雷射頻率為基礎。為了計數振盪的次 數，NRC的原型光原子鐘採用基於飛秒（femtosecond）雷射系統的光纖光頻梳（fibre-based optical frequency comb），該雷射系統現在可以自行運作好幾個星期的時間。　

　　NRC-INMS計畫主持人之一的馬德伊（Alan Madej）博士表示，光原子鐘是計時的重大變革，也是原子量測與分子物理的變革。這影響到未來我們將如何控制光線和做精密的量度。另一位計畫主持人是杜比（Pierre Dubé）博士。

　　馬德伊表示，如同其他鐘錶，光原子鐘基本上是量度事件發生之間所流逝的時間的設備。然而它有可能比現有的鐘錶更精確、準確地量度時間。目前，世界微波原子鐘 （microwave atomic clock）的精確度約3到5×10^-16秒，而理論上光原子鐘精確度的極限約為10^-18秒，或最多多出一百倍。換句話說，未來的光原子鐘每一年增加 與損失不會超過十億分之一秒。

　　那麼，為什麼這個世界會需要用到這種層級的精確度？馬德伊認為，如果沒有穩定改善我們量度基本單 位如秒、公尺、公斤的能力，物理學進展最終將陷於停頓。 Madej博士表示，幾十年前沒有人認為我們的民用計時量度會需要優於10^-10秒，但隨著有更高精確度的微波原子鐘的出現，促進了全球定位系統 （GPS）的開發。現在，衛星上也載有原子鐘，可以立即找到你所在的位置。

　　馬德伊博士預測，當我們進一步提高計時的精確度，首先會應 用於基礎物理實驗中。我們可以更準確地測試愛因斯坦的廣義相對論。光原子鐘也可以讓科學家研究重力的影響，或者讓太空船在太陽系最遠的地方精確地導航。雖 然很難預測商業上的應用，光原子鐘一定會開啟新的可能性，正如光的利用開闢了光纖和光纖通訊的世界。

【你知道嗎？】

　　銫鐘現在是世界上定義秒的主要標準。自1967年以來，秒就被定義為銫原子在能階間固定激發的輻射振盪9,192,631,770次所持續的時間。

　　各國國家度量衡標準機構的科學家期望，目前在公制（metric）系統作為首要秒的定義標準的銫鐘，也許在幾年之內就會被光原子鐘取代。不過，目前還不清楚 哪一種類型的光原子鐘會被用作重新定義的標準。無論時鐘的基礎是單一捕獲的原子離子如鍶離子，或者是捕獲中性原子的晶格（lattice），似乎都是很好 的選擇，但哪一種原子才是最好的選擇還不明顯。然而即使世界各地都採用光鐘，銫鐘及其他非光原子鐘仍將繼續在技術應用上發揮重要作用，因為它們比光原子鐘更簡單、更小巧。

原文出處：The future of timekeeping（National Research Council Canada）‧文字部分提供：國科會國際科技合作簡訊網

延伸閱讀：Optical lattice clocks: Keeping time in three dimensions（Nature）、Optical Frequency Standard based on a Single Trapped Ion（National Research Council Canad）

責任編輯：MissZoe