新加坡团队研制镥原子钟，不确定度达1×10⁻¹⁹

新加坡国立大学量子技术中心研制出基于镥元素的光原子钟，相关成果发表于《自然》杂志。该设备将原子跃迁频率测定到小数点后19位，计时不确定度达到1×10⁻¹⁹，成为目前已报告不确定度最低的光原子钟。项目负责人默里·巴雷特认为，这可能是目前精度最高的时钟。

原子钟通过锁定原子的特定跃迁计时：研究人员调节激光频率，使其匹配电子能级变化，激光振荡便相当于稳定的“钟摆”。这套设备以单个镥-176离子（¹⁷⁶Lu⁺）作为时间基准，对应激光波长为848纳米。镥的相关钟跃迁几乎不受温度和磁场变化影响，因此在从炎热的死亡谷到寒冷的南极高原等更宽泛的环境中，也有望保持稳定运行。

团队十多年前便开始研究镥元素，并经过多年工程开发和原子性质测量，最终将设想变为可运行设备。研究人员还提出“超精细平均”（hyperfine averaging）方法来定义钟跃迁。据团队介绍，目前全球只有这一科研团队专门开展镥原子钟研究。

研究人员搭建了两台镥原子钟，并利用关联光谱技术连续比对200小时，得到5.7×10⁻¹⁹的比对不确定度，刷新了时钟互相比对的精度纪录；增加测量次数后，这一数值还有望继续降低。共同第一作者凯尔·阿诺德表示，只有让多台时钟相互比较并获得可复现结果，才能检验时间基准的准确性。

广义相对论指出，引力会让时间流逝变慢，不同高度的时钟会出现细微速率差异。达到10⁻¹⁹精度的光原子钟，理论上仅凭数毫米高度差就能探测这种效应。本次实验中，两台放在同一实验桌上的镥原子钟已经分辨出5毫米高度差；为避免其影响比对结果，研究人员将两个镥离子的相对高度测量误差控制在1毫米以内。不过，受限于目前全球引力分布测量精度，把引力差异与时钟自身性能区分开仍较困难。

自20世纪60年代起，铯原子钟一直用于定义“秒”，并支撑GPS、通信网络和交通系统的时间同步。光原子钟依靠频率更高的跃迁，在相同时间内完成更多振荡，因此具备更高精度。此前相关纪录主要由镱、锶和铝原子钟保持，最新结果显示镥方案已超过这些纪录。国际时间标准机构正在评估以光钟重新定义“秒”，新定义预计最早于2030年或更晚实施。

高精度镥原子钟未来可用于监测地球重力场变化，并帮助研究基础物理中的未解问题。团队下一步计划将实验室设备小型化，开发可移动样机，以开展跨地点时钟比对，同时尽量保留当前精度。