【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。

NRC光學原子鐘的一部分(圖片/NRC)

  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。 

美國國立標準技術研究所(NIST)的晶片型原子鐘(Chip-Scale Atomic Clock)

  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 dimensionsNature)、Optical Frequency Standard based on a Single Trapped Ion(National Research Council Canad)

責任編輯:MissZoe

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One thought on “【一頁物理】光鐘閃耀計時新未來

  • 2010 年 12 月 31 日 at 12:40:45
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    註:加拿大NRC官網疑似全面掛點中,並不是連結有錯....請稍後再連。XD

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