多倫多大學(xué)物理學(xué)家近日宣布，他們成功研制出全球首款低溫單離子光學(xué)原子鐘，其精度有望達到現(xiàn)有最先進時鐘的100倍。這一突破不僅可能推動銫原子鐘體系的更新?lián)Q代，更將為精確計時和基礎(chǔ)科學(xué)研究帶來變革性影響。

物理學(xué)系副教授阿馬爾·烏塔指出，精確的時間與頻率測量是整個物理單位體系的基礎(chǔ)。提升計時設(shè)備的精度，意味著強化所有物理測量的根基。從導(dǎo)航系統(tǒng)到通信網(wǎng)絡(luò)，從金融交易到科學(xué)研究，精確計時在各個領(lǐng)域都扮演著關(guān)鍵角色。

傳統(tǒng)原子鐘依賴微波產(chǎn)生穩(wěn)定的"滴答聲"，而新一代光學(xué)原子鐘則采用可見光激光器。由于可見光頻率比微波高約10萬倍，光學(xué)原子鐘的精度實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，可精確到小數(shù)點后18位。這種精度提升源于原子量子振動與激光電磁場振蕩的同步機制——原子像音叉一樣確保激光頻率的穩(wěn)定。

研究團隊的創(chuàng)新在于開發(fā)出全球首個低溫單離子阱技術(shù)。他們通過電磁場捕獲單個鍶原子，并利用該原子與激光的同步來確保計時穩(wěn)定性。這項技術(shù)同樣采用光學(xué)激光器，但通過極端低溫環(huán)境解決了主流光學(xué)原子鐘面臨的精度瓶頸。

當(dāng)前光學(xué)原子鐘的主要限制來自環(huán)境熱輻射。金屬真空容器發(fā)出的紅外光會干擾作為"音叉"的調(diào)節(jié)原子，從而影響時鐘穩(wěn)定性。為突破這一障礙，研究團隊將單個鍶原子冷卻至低于5開爾文的極低溫環(huán)境——僅比絕對零度高不到5度。在這種接近絕對零度的條件下，熱輻射干擾被徹底消除，使時鐘精度達到前所未有的水平。

這種超高精度計時設(shè)備將在多個科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。它不僅能提升基本電氣單位（如安培、伏特）的定義精度，更為前沿物理學(xué)研究提供了強大工具。物理學(xué)家可以利用這種極致精確的時鐘檢驗自然界基本常數(shù)（如光速和普朗克常數(shù)）是否恒定不變。

阿馬爾·烏塔教授解釋道，如果基本常數(shù)隨時間變化，這將顛覆我們對宇宙基本規(guī)律的理解。新型原子鐘的問世，不僅意味著更準(zhǔn)確的時間測量，更可能開啟物理學(xué)研究的新維度，幫助科學(xué)家探索宇宙最深層的奧秘。