新加坡國立大學量子技術中心(CQT)的物理學家們挑選出了一種原子，可以讓他們製造出更好的原子鐘。CQT團隊在《自然通訊》(Nature Communications)上的一篇報道稱，一個以前被忽視的元素鑥（Lu）可以改進當今最好的時鐘。鑥（Lu）是一種具有原子序數71的稀土元素。一個時鐘的最終性能取決於原子的特性——原子對環境的不敏感。領導這項研究的Murray Barrett說：我把鑥（Lu）放在它的課堂上，該小組發表於4月25日的《自然通訊》(Nature Communications)雜誌上的數據顯示，鑥（Lu）對溫度的敏感度比現在的原子鐘要低。
博科園-科學科普：這些測量結果增加了先前的結果，顯示它可能是高性能時鐘的基礎。原子鐘為測量時間設定了半個多世紀的全球標準。但是由於第二種方法是參照上世紀60年代的銫原子來定義的，因此在世界範圍內存在著提高原子鐘準確性和穩定性的競爭。銫鐘發出的時間信號仍然支持全球定位系統，並有助於同步傳輸和通訊網絡，但許多其他物種的原子，如鐿、鋁和鍶，現在都在爭奪時間的精確測量。
這些新一代時鐘，其中一個部分的不確定性達到了十億，這證明了他們在測試基本物理上的勇氣——從測量重力到尋找基本常數的漂移。原子鐘的“滴答”不是直接來自原子，而是來自光波的振盪。振盪頻率是通過鎖定原子的諧振頻率來確定的。在實踐中，這意味著激光被調諧使一個原子的電子從低能級躍遷到更高的能級。這個跳躍需要多少能量是原子的一個固定性質。激光的頻率是匹配的，在單個光粒子(一個光子)中提供適當的能量。一旦發現了這個甜蜜點，時鐘就通過測量光波的振盪來計時。
銫原子鐘是在微波頻率下運行，或者正好是每秒9192631770次。最新一代的原子鐘是在光頻率上運行的，它的速度快了1萬倍。以較小的增量計算時間允許更精確的測量。鑥（Lu）也會在光學頻率上運行，但是製造好的時鐘比快速的滴答聲更重要——這些節拍也需要隨著時間的推移而保持穩定。這就是鑥（Lu）可能發光的地方。時鐘頻率不準確的一個來源是對周圍環境溫度的敏感性。巴雷特和他的同事們剛剛測量了這種“黑體輻射轉移”對鑥（Lu）的時鐘躍遷的強度。這項為期六個月的研究，涉及一種類似於工業切割的高功率激光器，其結果是，一種能量級轉換的黑體輻射轉移比任何已建立的光學原子鐘更接近於零。
第一作者凱爾·阿諾德說：我們已經明確地表明，對於所有已建立的原子鐘來說，鑥（Lu）是最不敏感的。這不僅使實驗室的時鐘更加精確，而且使實驗室裡的時鐘更加實用，使它們能夠在更廣泛的環境中運行。在早期的論文中，研究小組報告了與製造時鐘有關的鑥（Lu）的其他性質，發現它們可以與當今最好的時鐘原子競爭。巴雷特說：如果你能建立一個真正的鐿時鐘，將不可避免地建造一個更好的鑥（Lu）時鐘，或者至少它將是一個更容易的工作，可以建造一個同樣好的鑥（Lu）時鐘。
目前，研究人員正在研究單個離子的時鐘，但最終，他們希望基於晶格或許多離子的網絡製造時鐘。首先，它們以一種銀白色的金屬箔體作為白色的金屬箔開始，然後將一些原子放入他們的設備中。團隊成員沒有意識到任何其他與鑥（Lu）合作的小組。鑥（Lu）沒有嘗試的一個原因是，它需要一種新技術，由巴雷特和他的合作者發現，以消除時鐘中某些不準確的來源。這種“超精細平均技術”在早期的論文中有描述。巴雷特說：我不認為這是一件過於技術性、困難的事情，但我認為人們正在等著看這是如何實現的。
博科園-科學科普｜參考期刊：Nature Communications｜來自：新加坡國立大學
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