全球首款低温单离子原子钟问世，零下 268℃ 让“秒”精度直指小数点后 18 位以上

多伦多大学于 11 月 17 日发布博文，宣布其物理学家取得重大突破，成功研发全球首款低温单离子光学原子钟。其精度有望达到现有顶尖时钟的 100 倍。这项成果将推动沿用数十年的铯原子钟体系的更新换代，并为精确计时与基础科学研究带来深远影响。

物理学系副教授阿马尔・乌塔（Amar Vutha）指出，测量精确的时间与频率，是我们整个物理单位体系的基石，因此，提升计时设备的精度，意味着强化所有物理测量的基础。

所有计时设备都依赖于一个能产生稳定重复间隔（即“滴答声”）的机制。在原子钟内，这个“滴答声”来自激光电磁场的振荡，而原子的量子振动则像音叉一样，确保激光频率的稳定。

传统原子钟使用微波，而新一代光学原子钟则采用可见光激光器。由于可见光频率比微波高约 10 万倍，因此光学原子钟的精度实现了数量级飞跃，可精确到小数点后 18 位。

此次研究团队的突破在于，他们开发出全球首个低温单离子阱。这项技术同样使用光学激光器，并通过电磁场捕获单个锶原子，利用该原子与激光同步来确保稳定性。

低温离子阱电极的特写图像。单个离子被捕获在电极之间的空间中。图源：Amar Vutha 等

主流光学原子钟的精度目前主要受限于周围环境（如金属真空容器）发出的红外光，即热辐射的干扰。这种干扰会影响作为“音叉”的调节原子，从而限制时钟的稳定性。

研究团队为了解决这一难题，将单个锶原子冷却至低于 5 开尔文，即仅比绝对零度高不到 5 度。在接近绝对零度的环境下运行，设备能够彻底消除热辐射的干扰，从而突破了当前单离子原子钟的精度瓶颈。这一关键创新为实现更高精度的计时铺平了道路，是迈向下一代时间标准的重要一步。

超高精度的时间测量将在多个科学领域产生深远影响。它不仅能提升我们对安培、伏特等基本电气单位的定义精度，还将为前沿物理学研究提供强大工具。

物理学家可以利用这种极致精确的时钟来检验自然界的基本常数（如光速和普朗克常数）是否恒定不变。因此，这款新型原子钟的问世，不仅关乎更准确的时间，更可能刷新我们对宇宙基本规律的认知。