目前世界上最精準的時鐘－光晶格光頻原子鐘在低溫環境下的突破

目前世界上最精準的時鐘－光晶格光頻原子鐘在低溫環境下的突破
東京大學理學博士黃郁珊編譯/國立臺灣大學科學教育發展中心陳藹然博士責任編輯

編譯來源：次世代時間標準「光格子時計」の高精度化に成功（科学技術振興機構(JST) 2月10日新聞稿）

東京大學香取秀俊教授的研究團隊在2015年二月份的《自然光子學期刊》 (Nature Photonics) 發表他們的光晶格光頻原子鐘的研究成果，該研究團隊成功地打造兩台以鍶原子為基礎的最先進光頻原子鐘（如圖一），藉由兩台原子鐘的互相比較，證明其相對誤差在2×10^-18的範圍內，相當於兩台時鐘須花160億年才會產生１秒的相對誤差。此外，透過系統分析，這兩台原子鐘的不準確度(inaccuracy)為7.2×10^-18，這是世界上首次的成果，相較於目前用來定義「秒」的微波銫原子鐘，其準確度高了一百倍。

圖一 藉由兩台原子鐘的互相比較，證明其相對誤差值極小

由於光頻原子鐘所使用的頻率是微波原子鐘的1萬倍到10萬倍，原子運動產生的都卜勒效應 (Doppler Effect) 在光頻比微波頻率更為明顯，原子的熱運動造成明顯的譜線變寬 (Doppler broadening)，為了降低這個效應的影響，東京大學的團隊將鍶原子雷射冷卻到極低的溫度（～10^-6 Ｋ）並用光晶格 (optical lattice) 的技術將約1000個鍶原子固定在空間結點位置上，這使得都卜勒的一階跟二階效應 (1^st and 2^nd order effect) 都減至最低。除此之外，他們使用 在2001年提出的魔法波長 (magic wavelength) 的概念以除去光晶格對鍶原子躍遷頻率造成的光頻移(optical AC Stark shift)。

相較於單離子光頻原子鐘(single ion optical clock)，光晶格光頻原子鐘的優點是一次使用多個原子，所以其訊噪比遠高於單離子光頻原子鐘。在2013年美國國家標準局 (NIST) 的鐿原子的光晶格光頻原子鐘已經展現了10^-18左右的相對誤差，然而室溫的黑體輻射所造成系統不確定性使得不準確度只達10^-16左右。香取秀俊教授的團隊在 -178^oC將他們的鍶原子鐘系統冷卻以減低黑體輻射的干擾而首次達成了小於10^-17的不準確度，這對光頻原子鐘來說是極重要的突破。

高精度的光晶格光頻原子鐘可做為觀察在被重力彎曲的廣義相對論的時間空間的新的測量工具，例如：因為公轉軌道是橢圓形﹐地球上來自太陽的重力一整年間都在變化﹐如果不同種原子鐘的時間前進方式不同﹐就暗示精細結構常數與重力的關聯性。這種實驗性的挑戰﹐或許能成為解開宇宙誕生之謎的關鍵。