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迄今最精准原子钟即将“报时”

2017-10-09 10:44 来源:科技日报

  近日出版的《科学》杂志刊登了华人科学家叶军团队的最新成果:将量子气体态锶原子挤压成一个微型3D立方体,使原子密度提高到之前原子钟的1000倍,从而设计出迄今最精准原子钟。新研究不仅能进一步提升GPS导航系统的定位精度,更有助于科学家们验证爱因斯坦在广义相对论中对时间膨胀的预言,以及探索为何万有引力定律不能适用于量子力学等问题。

  原子钟的原理是利用原子周围电子从激光吸收能量,在高低能态间跃迁来计时。现有原子钟主要使用的是氢、铯和铷等原子,大家熟知的GPS系统主要使用的是同位素铯-133,但铯原子电子每秒只能移动90亿次,而锶原子内电子每秒移动速度接近1000万亿次,因此在制造精准原子钟方面更有潜力。

  在美国实验天体物理学联合实验室工作的叶军带领团队一直潜心于锶原子钟的设计,并在2014年研制出当时世界最精准的光学锶原子钟,与铯原子钟3亿年会出现1秒误差的精度相比,将锶原子用激光囚禁成线性阵列的锶原子钟,其精度达到每150亿年(相当于宇宙年龄)才误差1秒,打破了当时的原子钟精确度纪录。

  此次新研究中,叶军团队再次打破纪录,将锶原子钟的精确度再提高了20%。他们将锶原子冷却到-273摄氏度,使得原子变成类似费米子的量子气体,其行为方式更像波动性,从而避免线性结构中原子间碰撞作用对时间测量精度的影响。

  爱因斯坦的广义相对论预言,时间会随着地心引力的不同而变化,而原子钟越精准,就可以更精确地验证这一理论,甚至可以为太空引力波探测以及暗物质研究等宇宙未解之谜,带来突破性进展。

编辑: 罗予岐
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