原子锺

简介

人们平时所用的锺表，精度高的大约每年会有1分锺的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更準确的计时工具。目前世界上最準确的计时工具就是原子锺，它是20世纪50年代出现的。原子锺是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控製，原子锺的计时就可以非常準确了。现在用在原子锺裏的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等。原子锺的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

基本原理

根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这裏电磁能量是不连续的。当原子从一个能量态跃迁至低的能量态时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的-例如铯133的共振频率为9 192 631 770Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

发现人

30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室裏研究原子和原子核的基本特徵。也就是在这裏，他们在依靠这种原子计时器来製造时锺方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术，依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出要讨论讨论这样一个想法(他的学生这样说道)，也就是这些共振频率的準确性如此之高，完全可以用来製作高精度的时锺。他还特别提出要利用所谓原子的超精细跃迁的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。

在这种时锺裏，一束处于某一特定超精细状态的原子束穿过一个振蕩电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振蕩频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到另一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振蕩场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子锺就是利用振蕩场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉沖的节拍器。

发现史

直到上世纪20年代，最精确的时锺还是依赖于锺摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的时锺是基于石英晶体有规则振动而製造的，这种时锺的误差每天不大于千分之一秒。即使如此精确，但它仍不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时锺，比海平面处完全相同的一个时锺平均每天快三千万分之一秒。所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控製计时锺。

NIST F-1原子锺，它由170个元器件组成，其中包括透镜，反射镜和雷射器。位于中部的管子高1.70米，铯原子在其中上下移动，发出极为规则的信号。

上世纪30年代，美国哥伦比亚大学实验室的拉比和他的学生在研究原子及其原子核的基本性质时所获得的成果，使基于上述原子计时器的时锺研製取得了实质性进展。在拉比构想的时锺裏，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一个振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量就会越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率，直到所有原子均能跃迁。原子锺就是利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉沖，目前，振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水準。1949年，拉比的学生拉姆齐提出，使原子两次穿过振动电磁场，其结果可使时锺更加精确。1989年，拉姆齐因此而获得了诺贝尔奖。

二战后，美国国家标準局和英国国家物理实验室都宣布，要以原子共振研究为基础来确定原子时间的标準。世界上第一个原子锺是由美国国家物理实验室的埃森和帕裏合作建造完成的，但这个锺需要一个房间的设备，所以实用性不强。另一名科学家扎卡来亚斯使得原子锺成为一个更为实用的仪器。扎卡来亚斯计画建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子锺，这种原子锺非常精确，足以研究爱因斯坦预言的引力对于时间的作用。研製过程中，扎卡来亚斯推出了一种小型的原子锺，可以从一个实验室方便地转移到另一个实验室。1954年，他与麻省的摩尔登公司一起建造了以他的携带型仪器为基础的商用原子锺。两年后该公司生产出了第一个原子锺，并在四年内售出50个，如今用于GPS的铯原子锺都是这种原子锺的后代。

到了1967年，关于原子锺的研究如此富有成效，以至于人们依据铯原子的振动而对秒做出了重新定义。如今的原子锺极其精确，其误差为10万年内不大于1秒。历经数年的努力，三种原子锺――铯原子锺、氢微波激射器和铷原子锺(它们的基本原理相同，区别在于元素的使用及能量变化的观测手段)，都已成功的套用于太空、卫星以及地面控製。现今为止，在这三类中最精确的原子锺是铯原子锺，GPS卫星系统最终採用的就是铯原子锺。

2010年2月，由美国国家标準局研製的铝离子光锺已达到37亿年误差不超过1秒的惊人水準，成为世界上最準的原子锺。

种类

铯原子锺

铯原子锺它利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标準，去控製校準电子振蕩器，进而控製锺的走动。这种锺的稳定程度很高，目前，最好的铯原子锺达到2000万年才相差 1 秒。现在国际上， 普遍採用铯原子锺的跃迁频率作为时间频率的标準，广泛使用在天文、大地测量和国防建设等各个领域中。

氢原子锺

氢原子锺一种精密的计时器具。氢原子锺是在现代的许多科学实验室和生产部门广泛使用一种精密的时锺，它是利用原子能级跳跃时辐射出来的电磁波去控製校準石英锺，但它用的是氢原子。这种锺的稳定程度相当高，每天变化只有十亿分之一秒。氢原子锺亦是常用的时间频率标準，被广泛用于射电天文观测、高精度时间计量、火箭和飞弹的发射、核潜艇导航等方面。氢原子锺首先在1960年为美国科学家拉姆齐研製成功。氢原子锺是种高精度的时间和频率标準，在国防、空间技术和现代科学试验中有着重要的套用。

铷原子锺

是所有原子锺中最简便、最紧凑的一种。这种时锺使用一玻璃室的铷气，当周围的微波频率刚好合适时，就会按光学铷频率改变其光吸收率。 三种原子锺――铯原子锺、氢微波激射器和铷原子锺，都已成功的套用于太空、卫星以及地面控製。现今为止，在这三类中最精确的原子锺是铯原子锺，GPS卫星系统最终採用的就是铯原子锺。

此外，还可以通过使用雷射束来防止铯原子前后高速移动，从而可以减少因多普勒效应而产生的轻微频率变化。

CPT原子锺

CPT原子锺是利用原子的相干布局囚禁原理而实现的一种新型原子锺，也是目前从原理上唯一可实现微型化的原子锺，其体积、功耗比目前体积、功耗最小的铷原子锺相比还要小得多。最小的CPT原子锺可为手表尺寸，并用纽扣电池供电。由于这些特点，CPT原子锺在远程通讯系统定时、大範围通讯网路同步、武器装备的便携化等军、民套用方面具有很好的套用前景。例如，CPT频标套用于GPS接收机，可以显着提高导航定位精度。欧美等西方国家已经把携带型和微型化CPT频标的研发作列入国家战略发展目标。美国已经有两种商品CPT频标上市。 中科院武汉物理与数学研究所2006年研製出我国首台CPT原子锺样机，随后立即转入具有重要套用背景的样机研製。最近，以顾思洪研究员为首的研究人员在CPT原子锺核心技术攻关方面取得重要进展，研製出性能得到明显改进的CPT原子锺，其稳定度和功耗等主要指标已与国外商品锺的指标相当。下一阶段的主要研究目标是进一步最佳化设计参数，并进行工艺改进，研製出可以满足实际套用要求的CPT原子锺。

工作原理

铯原子锺的工作原理

每一个原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象就是当食盐被喷洒到火焰上时食盐中的元素钠所发出的桔红色的光。一个原子具有多种振动频率，一些位于无线电波波段，一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。铯133则被普遍地选用作原子锺。将铯原子共振子置于原子锺内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常是採用锁定晶体振蕩器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱範围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对製造这一频谱的仪器十分在行。

为了製造原子锺，铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一过程中，首先铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然后通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率範围内震蕩，以使得在每一个迴圈中一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。精确的晶体振蕩器所产生的微波的频率範围已经接近于这一精确频率。当一个铯原子接收到正确频率的微波能量时，能量状态将会发生相应改变。

在更远的真空管的尽头，另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出，并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振蕩器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的频率。这一锁定的频率被9,192,631,770除，得到常见的现实世界需要的每秒一个脉沖。

工作过程

铯原子锺的工作过程

喷泉锺

铯原子锺又被人们形象的称作喷泉锺，因为铯原子锺的工作过程是铯原子象喷泉一样的升降。这一运动使得频率的计算更加精确。图中详细的描绘了铯原子锺工作的整个过程。这个过程可以分割为四个阶段:

第一阶段

由铯原子组成的气体，被引入到时锺的真空室中，用6束相互垂直的红外线雷射(黄线)照射铯原子气，使之相互靠近而呈球状，同时雷射减慢了原子的运动速度并将其冷却到接近绝对零度。

第二阶段

两束垂直的雷射轻轻地将这个铯原子气球向上举起，形成喷泉式的运动，然后关闭所有的雷射器。这个很小的推力将使铯原子气球向上举起约1m高，穿过一个充满微波的微波腔，这时铯原子从微波中吸收了足够能量。

第三阶段

在地心引力的作用下，铯原子气球开始向下落，再次穿过微波腔，并将所吸收的能量全部释放出来。当在微波腔中发生状态改变的铯原子与雷射束再次发生作用时就会放射出光能。

第四阶段

在微波腔的出口处，另一束雷射射向铯原子气，探测器将对辐射出的荧光的强度进行测量。

上述过程将多次重复进行，而每一次微波腔中的频率都不相同。由此可以得到一个确定频率的微波，使大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频率就是铯原子的天然共振频率，或确定秒长的频率。

最新成果

美国《科学》杂志于2001年7月12日公布的一项研究结果表明，美国政府科学家已经将先进的雷射技术和单一的汞原子相结合而研製出了世界上最精确的时锺。位于美国科罗拉多州博尔德城的美国国家标準与技术研究所的科学家研製出了这种新型的以高频不可见光波和非微波辐射为基础的原子锺。由于这种时锺的研製主要是依靠雷射技术，因而它被命名为全光学原子锺。

我们知道原子时锺的滴答来自于原子的转变，在当前的原子锺中，铯原子是在微波频率範围内转变的，而光学转变发生在比微波转变高得多的频率範围，因此它能够提供一个更精细的时间尺度，也就可以更精确地计时。这种新研製出来的全光学原子时锺的指针在1秒锺内走动时发出的滴嗒声为一千的五次方(在1后加15个零所得的数)，是现在最高级的时锺――微波铯原子锺的十万倍。所以，用它来测量时间将更精确得多。

所有时锺的构造都包括两大部分:即能够按照固定周期走动的装置，如锺摆;还有一些计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时锺指针的齿轮。在大约50年前首次研製出的原子锺增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控製锺摆。目前最高级的原子锺，就是利用100万个液态金属铯原子对微波辐射做出反应来控製时锺指针的走动。这样的时锺指针每秒锺大约走动100亿次，时锺指针走动得越快，时锺计算的时间也就越精确。但是铯原子锺使用的高速电子学技术并不能计算更多的时锺指针走动次数。因而，美国科学家在研究新型的全光学原子锺时使用的不是铯原子，而是单个冷却的液态汞离子(即失去一个电子的汞原子)，并把它与功能相当于锺摆的飞秒(一千万亿分之一秒)雷射振蕩器相连，时锺内部配备了光纤，光纤可将光学频率分解成计数器可以记录的微波频率脉沖。

要製造出这种原子锺需要有能够捕捉相应离子，并将捕捉到的离子足够静止来保证準确的读取资料的技术，同时要能保证在如此高的频率下来準确的计算滴答的次数。这种时锺的质量依赖于它的稳定性和準确性，也就是说，这个时锺要提供一个持续不变的输出频率，并使它的测量频率与原子的共振频率相一致。

领导这一研究的美国物理学家斯科特·迪达姆斯(S.A. Diddams)说:我们首次展示了这种新一代原子锺的原理，这种时锺可能比目前的微波铯原子锺精确100到1000倍。它可以计算有史以来最短的时间间隔。科学家们预言这种时锺可以提高航空技术、通信技术，如行动电话和光纤通信技术等的套用水準，同时可用于调节卫星的精确轨道、外层空间的航空和联接太空船等。