世界上最精确的原子钟每300亿年误差仅1秒

世界上最精确的原子钟每300亿年误差仅1秒 你的米老鼠电子表在日常使用中可以很好地显示时间在开会或午餐时，这里或那里偏差一秒并不重要。但对于像太空发射这样的复杂事件来说，几分之一秒的误差可能意味着控制室里香槟酒瓶塞爆开与人类所能制造的最昂贵爆炸之间的差别。原子钟是实现这些惊人壮举的极其精确的仪器。它们的工作原理是计算某些原子极其可预测的振动例如，铯-133 每秒精确"滴答"9,192,631,770 次，自 20 世纪 60 年代以来，这一直被用来正式定义一秒的长度。它们的精确度在 3 亿年一秒之内。现在，JILA 的科学家们已经开发出了一种更加精确的原子钟。它基于该团队多年来的一些研发成果。首先，它不使用铯原子，而是使用锶原子，锶原子每秒滴答作响429万亿次。这种原子钟不使用微波来测量这些滴答声，而是使用频率高得多的可见光波。数以万计的锶原子被困在一种激光网（或称"光学晶格"）中，当它们跳起可预测的舞蹈时，激光网将它们固定在原地。将如此多的锶原子困在一个地方有助于提高精确度，这些锶原子在数十亿年内只会下降一秒。 激光将一团锶原子困在世界上最精确的原子钟的"光学晶格"中 激光将一团锶原子困在世界上最精确的原子钟的"光学晶格"中K.Palubicki/NISTJILA 团队的新原子钟使用了更浅、更柔和的光阱，将精度提高到了破纪录的水平。这就避免了光学晶格原子钟经常出现的两个误差源激光光源的影响和原子相互碰撞。这种新设计的精确度显然可以达到万亿分之 8.1（10 后面有 19 个零）。换句话说，如果时钟运行 300 亿年，误差仅为一秒，这相当于目前宇宙年龄的两倍多。我们想说的是，这真是太精确了。这种惊人的精确度可以用来比以往任何时候都更好地测量时间，从而改进全球定位系统和通信等技术。但它也可以帮助探测物理学本身毕竟重力可以改变时间流逝的速度，而这个仪器可以测量一根头发粗细的距离上的这种差异。这项研究的作者叶俊说："这个时钟非常精确，它甚至可以在微观尺度上探测到广义相对论等理论所预测的微小效应。它突破了计时的极限。"这项研究已被接受在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上发表，目前在 ArXiv 上以预印本的形式提供。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科大实现稳定度和不确定度均优于5E-18的锶原子光晶格钟

中国科大实现稳定度和不确定度均优于5E-18的锶原子光晶格钟 该成果对未来实现远距离光钟比对、建立超高精度的光频标基准和全球性光钟网络奠定了重要的技术基础。相关成果于1月12日发表于国际计量领域重要学术期刊《计量学》。目前，最先进的光钟比国际上用于秒定义的微波喷泉钟的精度高出了两个数量级以上。正是基于量子精密测量技术的发展，第二十七届国际计量大会通过了“关于秒的未来重新定义”的决议，计划于2026年提出关于利用光钟重新定义国际单位制（SI）“秒”的具体路线，并将在2030年做出最终决定。为了推动基于光钟的新一代秒定义，要求至少3个不同实验室的光钟不确定度优于2×10-18，并通过光学链路或移动光钟实现优于5×10-18的频率比对精度。图1 中国科大Sr 1和Sr 2光钟的异步比对操作和稳定度性能研究团队近年来在基于光晶格的超冷原子量子模拟方面开展了卓有成效的工作，已先后在《自然》和《科学》发表了9篇论文，为发展高精度的光晶格钟奠定了必要的技术基础。在该工作中，研究团队实现了锶原子（87Sr）的激光冷却，并将其束缚在长寿命的一维光晶格中，利用一束预先锁定到超稳腔的超稳激光来探寻锶原子钟态跃迁，并实现了光钟闭环运行。通过两套独立的锶原子光晶格钟（Sr 1和Sr 2）进行了频率比对测量，得到单套光钟的稳定度在10000秒积分时间被达到了4×10-18，在47000秒达到了2.1×10-18，整体达到了5.4×10-16/sqrt(τ)，τ是积分测量的时间。在此基础上，研究团队还对Sr 1光钟的系统频移因素开展了逐项评定，最终得到其系统不确定度为4.4×10-18相当于72亿年仅偏差1秒。上述性能指标表明该光钟系统已部分满足“秒”重新定义的要求。该研究工作提升了我国原子光频标的性能指标，结合潘建伟、张强、姜海峰、彭承志等前期实现的万秒稳定度优于4×10-19的百公里自由空间高精度时间频率传递 [Nature 610, 661 (2022)]，为下一步建立远距离光钟比对（如 Sr/Yb, Sr/Ca+）奠定了坚实基础，对未来构建新一代全球时间基准乃至提供引力波探测、暗物质搜索的新方法等具有重要价值。该研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科学基金委、中国科学院和新基石科学基金会等的资助。论文链接： ... PC版： 手机版：

潘建伟团队成功构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器

潘建伟团队成功构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器 相关研究成果于7月10日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。“天元”量子模拟器示意。红色和蓝色的小球分别代表自旋相反的原子，它们在三维空间交错排列，形成了反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。据介绍，费米子哈伯德模型是晶格中电子运动规律的最简化模型，被认为是有希望解释高温超导机理这一困扰物理学界近四十年难题的核心物理模型。一旦理解其物理机制，就能够规模化地设计、生产和应用新型的高温超导材料，在电力传输、医学、超算等领域产生变革性影响。潘建伟院士介绍，量子计算为求解若干经典计算机难以胜任的计算难题提供了全新的方案。此次潘建伟院士团队结合前期研究成果，实现了最低温度的均匀费米简并气体制备，满足了实现反铁磁相变所需要的低温。并进一步创造性地将盒型光势阱和平顶光晶格技术相结合，实现了空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。在此基础上，研究团队通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度，成功构建出求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，直接观察到反铁磁相变的确凿证据自旋结构因子在相变点附近呈现幂律的临界发散现象。从而首次验证了费米子哈伯德模型包括掺杂条件下的反铁磁相变。该工作推进了对费米子哈伯德模型的理解，不仅是理解高温超导机理的有效途径，也是量子计算研究的重大突破。 ... PC版： 手机版：

地球自转变慢了，5年后一分钟只有59秒？

地球自转变慢了，5年后一分钟只有59秒？ 事实上，这样的表述并不准确，正确的表述应该为：2029年，某一个1分钟可能缩短为59秒，并且冰盖融化延后了这一天的到来。这到底是怎么回事呢？为什么1分钟还会减少成59秒呢？时间难道不是固定不变的吗？这又会对我们的生活产生哪些影响？我们的计时系统尽管时间似乎是均匀流逝的，但实际上我们已经调整了几十年每隔几年插入一个闰秒。为了更好地理解这个问题，首先需要了解下我们的计时系统。为确定时间，我们现在常见的时间系统包括三种，分别是：以地球自转周期为基准的世界时（Universal Time，UT1）以地球绕太阳公转周期为基准的历书时（Ephemeris Time，ET）以原子内部电子能级跃迁发射的电磁振荡频率为基准的原子时（International Atomic Time，法语：Temps Atomique International, TAI）世界时（UT1）是通过将地球自转一周的时间记为一天来确定的时间标准。它基于地球相对于平太阳的角度变化来划分时间刻度。世界时在航海和导航领域，以及天体测量和天文大地测量领域中，起到了重要作用。然而，由于地球自转的速度并不是恒定的，世界时的稳定性不足，难以完全满足现代科学研究和技术应用对极高精度时间的需求，比如天文观测和全球导航卫星系统（GNSS）。为了满足更高精度的实际需要，科学家们引入了原子时。具体来说，原子时是通过原子钟来实现的，而原子钟利用的是原子内部电磁振荡的周期来计时，这种振荡周期非常稳定。因此，原子时具有极高的准确度和稳定度，能够提供极其精准的时间标准，从而被广泛应用于科学研究、导航系统、通信网络等领域。铯原子钟 图片来源：维基百科在中国科学院国家授时中心空间锶原子光钟实验室，测量仪器显示相关实验信号。新华社记者 张博文摄967年，第十三届国际计量代表大会决定将秒的定义从天文秒改为原子秒，将铯-133原子无干扰的基态超精细能级跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间定为1秒，也就是说，将铯-133原子发出的辐射振动9192631770次所持续的时间定为1秒，称作国际单位制秒。这一决定标志着原子时的正式确立，并为后续的时间计量系统的发展奠定了基础。值得一提的是，为了实现我们国家标准时间的自主校准，中国科学院国家授时中心以张首刚研究员为代表的科学家们长期扎根西部，甘于寂寞，攻关十余年，成功研制高稳定连续运行冷原子铯喷泉基准钟，把我国标准时间与国际标准时间的偏差从100纳秒减小到5纳秒内。一分钟为什么会变成59秒？以地球自转为参考的世界时，一直是国际标准时间产生的重要参数之一。一天被分为24小时，1小时60分钟，一分钟60秒，世界时刻反映了地球相对于宇宙背景的转动角度，这是很重要的。而采用原子时是一种非常准确、不变的时间定义方法，但它也带来了一个令人不安的后果：原子时与地球自转定义的世界时不太匹配。原子时与世界时之间的差异。图片来源：文献[1]几个世纪以来，时间测量的稳定度不断提高，使我们能够看到地球的自转速度并不恒定，这就会使原子时和世界时之间产生差异。为了兼顾这两种需要，便引入了协调世界时（Coordinated Universal Time, UTC）系统。当国际原子时与世界时的时刻相差达到0.9秒时，就需要对协调世界时（UTC）进行调整，即增加或减少1秒，以尽量接近世界时，这就是所谓的闰秒（负闰秒，最后一分钟为59秒；正闰秒，最后一分钟为61秒）。这种添加闰秒的世界时就是协调世界时，也称世界标准时间，是目前使用最广泛的时间系统。自1972年UTC正式使用至今以来，地球自转一直处于不断减慢的趋势，协调世界时已经添加了27个闰秒，均为正闰秒。然而，自2020年年中以来，地球自转速率呈现加快趋势。因此科学家估计，在2029年，人类可能就需要首次减少1秒为“负闰秒”，对应的1分钟只有59秒，来保持原子钟时间与地球自转周期的同步。地球自转速度为何不恒定？在千年的时间尺度上，地球自转速度的变化受三个地球物理过程的影响。首先，海水和海底之间的摩擦会逐渐消耗地球自转的动能，从而减缓地球的自转速度，这就是所谓的潮汐效应。其次，由于冰期后回弹，地球形状会发生变化，变得更为扁平，使地球的惯性矩发生变化，降低了其自转速度。这类似于滑冰运动员在旋转时将手臂向身体两侧平伸以减速旋转的原理。最后，地球内部的一些过程，即地核和其外层（地幔、地壳）之间的相互作用和相互影响，例如地磁场变化和地幔对流，也会导致地球自转速度产生变化。根据美国国家航空航天局（NASA）和国际地球自转和参考系统服务（IERS）的数据，地球的自转速度确实在缓慢减慢。研究表明，地球自转周期每个世纪增加大约1.8毫秒。虽然这个变化看似微小，但在长时间尺度上，其累积效应却非常显著。例如，古代天文学家记录的日食时间与我们今天计算的时间存在显著差异。2500年前（大约春秋战国时期）观测到的日食时间与现代时钟相比，时钟误差约为4小时。原本，科学家预计由于这些地球物理过程的作用，地球自转速度的减缓将使得首个“负闰秒”在2026年到来。然而，卫星测量数据显示，从1986年开始，随着全球气候变暖加剧，格陵兰和南极的冰盖正在加速融化。这一现象导致海平面加速上升，进一步减缓了地球自转速度。由于冰盖融化和海平面上升的双重效应，地球的惯性矩增加，自转速度变得更慢，从而推迟了负闰秒的到来。极地冰层融化并向赤道移动，减缓了地球的自转速度。图片来源：文献[3]闰秒会带来什么影响？闰秒通常在世界协调时（UTC）6月30日或12月31日的23:59:60实施。闰秒的调整对日常生活的直接影响较小，人们往往感受不到闰秒所带来的变化。但对依赖精确时间同步的技术系统和应用领域，如计算机、金融、航空航天等领域，闰秒却有重要影响。例如，闰秒的加入或删除需要全球同步，对计算机系统的时间管理提出了挑战。2012年，多个大型网站就因为时间同步错误，导致服务器崩溃，出现了短暂的服务中断。2015年，闰秒再度来临时，工程师们修复了部分2012年出现的问题，但发现了新的问题。又如，每次闰秒调整，GNSS系统需要更新时间数据，以保证授时精度。如果未能及时调整，可能导致导航电文的不准确。与传统的增加一秒的闰秒不同，史无前例的负闰秒将会给许多依赖精确时间同步的系统带来新的挑战和不确定性。计算机和网络系统、金融系统等等往往已经设计好如何处理增加的正闰秒，但对如何处理减少的负闰秒则可能缺乏足够的准备。科学家们正在呼吁各界共同努力，为负闰秒的实施做好充分准备，以确保全球技术系统的稳定和安全。尽管闰秒的初衷是保持UTC与地球自转时间UT1同步，但闰秒的调整，特别是潜在的负闰秒，正不断增加时间同步系统的复杂性。有人提议实施幅度更大的校正，如闰分、闰时，以将调整时间延长至百年、千年；也有人建议停止校正，同时公布世界时和国际原子时之间不断增长的时刻差。2022年第27届国际计量大会决定，最迟不晚于2035年废除闰秒，改为闰分，即允许国际原子时与世界时的时刻相差在1分钟以内。并要求各方协商提出一个可以将“协调世界时”持续至少百年的新方案。随着科技的发展，新的时间同步技术会不断涌现，例如更精准的光钟和更加智能的网络时间协议，都可能为解决闰秒问题提供新的途径。参考文献[1] Tavella, Patrizia, and Jerry X. Mitrovica. "M... PC版： 手机版：

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动

原子定格：科学家首次捕捉到水中的电子运动 2月15日，《科学》（Science）杂志报道了这一研究成果，它为研究液相分子的电子结构提供了一个新的视窗，而这种视窗的时间尺度是以前的X射线所无法达到的。这项新技术揭示了当目标被X射线击中时的即时电子反应，这是了解辐照对物体和人的影响的重要一步。这项研究的资深作者、阿贡国家实验室特聘研究员琳达-杨说："我们想研究的辐射诱导的化学反应是目标电子反应的结果，这种反应发生在阿秒时间尺度上。到目前为止，辐射化学家只能分辨皮秒级的事件，比阿秒级慢一百万倍。这有点像说'我出生了，然后我死了'。你想知道这中间发生了什么。这正是我们现在能够做到的。""我们开发的方法允许研究......辐射诱导过程产生的反应物，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的反应物。"阿贡杰出研究员、芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授琳达-杨介绍说。来自美国能源部多个国家实验室以及美国和德国多所大学的多机构科学家小组将实验与理论相结合，实时揭示了 X 射线源的电离辐射撞击物质时产生的后果。在发生作用的时间尺度上进行研究，将使研究小组能够更深入地理解复杂的辐射诱导化学反应。事实上，这些研究人员最初是为了开发必要的工具来了解长期暴露于电离辐射对核废料中化学物质的影响而走到一起的。这项研究得到了能源部赞助的放射性环境和材料界面动力学（IDREAM）能源前沿研究中心的支持，该中心总部设在太平洋西北国家实验室（PNNL）。水样照片： 为了记录 X 射线辐射激发的电子运动，科学家们制作了一张约 1 厘米宽的液态水薄片，作为 X 射线光束的目标。图片来源：Emily Nienhuis | 太平洋西北国家实验室亚原子粒子的运动速度非常快，要捕捉它们的行动，需要一个能够以阿秒为单位测量时间的探测器，阿秒的时间范围非常小，以至于一秒钟中的阿秒比宇宙历史上已经度过的秒数还要多。目前的研究以获得 2023 年诺贝尔物理学奖的新科学阿秒物理学为基础。阿秒 X 射线脉冲仅在全球少数几个专业设施中可用。该研究团队在位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的里纳克相干光源（LCLS）进行了实验工作，当地团队率先在这里开发了阿秒X射线自由电子激光器。来自SLAC国家加速器实验室的阿戈-马里内利（Ago Marinelli）说："阿秒时间分辨实验是里纳克相干光源的旗舰研发项目之一，"他与詹姆斯-克赖恩（James Cryan）共同领导了此次实验所使用的一对同步X射线阿秒泵浦/探针脉冲的开发工作。"看到这些研发成果被应用于新型实验，并将阿秒科学带入新的发展方向，我们感到非常兴奋"。2022年6月，团队成员在SLAC国家加速器实验室里纳相干光源的控制室。从左至右： SLAC 的 David J. Hoffman、阿贡国家实验室（ANL）和芝加哥大学的 Kai Li、西北太平洋国家实验室 IDREAM 主任 Carolyn Pearce、SLAC 的 Ming-Fu Lin 和 ANL 的 Shuai Li。图片来源：Carolyn Pearce | 太平洋西北国家实验室这项研究中开发的技术液体中的全 X 射线阿秒瞬态吸收光谱，使他们能够"观察"被 X 射线激发的电子进入激发态的过程，而这一切都发生在体积更大的原子核有时间移动之前。他们选择液态水作为实验的试验品。芝加哥大学物理系和詹姆斯-弗兰克研究所教授杨说："我们现在有了一种工具，原则上可以跟踪电子的运动，实时看到新电离分子的形成。"这些新报告的发现解决了一个长期存在的科学争论，即在以前的实验中看到的X射线信号是否是水或氢原子动态的不同结构形状或"图案"的结果。这些实验最终证明，这些信号并不是环境液态水中两种结构模式的证据。杨说："基本上，人们在以前的实验中看到的是氢原子运动造成的模糊。我们在原子有时间移动之前进行了所有的记录，从而消除了这种移动"。研究人员将目前的研究视为阿秒科学全新方向的开端。为了实现这一发现，PNNL 的实验化学家与阿贡和芝加哥大学的物理学家、SLAC 的 X 射线光谱专家和加速器物理学家、华盛顿大学的理论化学家，以及德国汉堡超快成像中心和德国电子同步加速器（DESY）自由电子激光科学中心（CFEL）的阿秒科学理论家合作。在 2021 年至 2022 年全球大流行期间，PNNL 团队利用在 SLAC 开发的技术，在 X 射线泵脉冲路径上喷射出一片超薄的纯水。PNNL 的早期职业化学家艾米丽-尼恩胡斯（Emily Nienhuis）说："我们需要一个漂亮、平整、薄的水片，在那里我们可以聚焦 X 射线。这种能力是在 LCLS 开发出来的。在 PNNL，Nienhuis 演示了这种技术也可用于研究 IDREAM EFRC 核心的特定浓缩溶液，并将在下一阶段的研究中进行调查。"收集到 X 射线数据后，来自华盛顿大学的理论化学家李晓松和研究生卢立新运用他们解释 X 射线信号的知识，再现了在 SLAC 观察到的信号。由理论家罗宾-桑特拉（Robin Santra）领导的CFEL小组建立了液态水对阿秒X射线响应的模型，以验证观测到的信号确实局限于阿秒时间尺度。"利用华盛顿大学的 Hyak 超级计算机，我们开发出了一种尖端的计算化学技术，能够详细描述水的瞬态高能量子态，"华盛顿大学 Larry R. Dalton 化学讲座教授、PNNL 实验室研究员李说。"这一方法学上的突破在量子层面理解超快化学转化方面取得了举足轻重的进展，其准确性和原子级细节都非常出色。"首席研究员杨发起了这项研究并监督其实施，第一作者和博士后Shuai Li在现场领导了这项研究。阿贡的物理学家吉勒-杜米（Gilles Doumy）和芝加哥大学的研究生李凯（Kai Li）是进行实验和分析数据的团队成员。阿贡纳米材料中心是美国能源部科学办公室的用户设施，该中心帮助鉴定了水片喷射目标的特性。研究团队一起窥探了液态水中电子的实时运动，而世界上的其他地方却静止不动。杨说："我们开发的方法允许研究辐射诱导过程产生的活性物种的起源和演化，例如太空旅行、癌症治疗、核反应堆和遗留废物中遇到的活性物种。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性 卡文迪什实验室的研究人员在六方氮化硼（hBN）中发现了原子缺陷在环境条件下的自旋相干性，这是量子材料领域的一项罕见成就。这项发表在《自然-材料》（Nature Materials）上的研究强调，这些自旋可以用光来控制，对未来的量子技术（包括传感和安全通信）具有广阔的前景。研究结果还强调了进一步探索提高缺陷可靠性和延长自旋存储时间的必要性，凸显了氢化硼在推进量子技术应用方面的潜力。资料来源：埃莉诺-尼科尔斯，卡文迪什实验室自旋相干性是指电子自旋能够长期保持量子信息。这一发现意义重大，因为能够在环境条件下承载量子特性的材料相当罕见。发表在《自然-材料》（Nature Materials）上的研究结果进一步证实，室温下可获得的自旋相干性比研究人员最初想象的要长。论文共同作者、卡文迪什实验室 Rubicon 博士后研究员 Carmem M. Gilardoni 说："研究结果表明，一旦我们在这些电子的自旋上写入某种量子态，这种信息就能存储约百万分之一秒，从而使这一系统成为一个非常有前景的量子应用平台。""这看起来似乎很短，但有趣的是，这个系统并不需要特殊的条件它甚至可以在室温下存储自旋量子态，而且不需要大型磁铁"。六方氮化硼（hBN）是一种由一原子厚的层堆叠而成的超薄材料，有点像纸张。这些层通过分子间的作用力固定在一起。但有时，这些层内会出现"原子缺陷"，类似于晶体内部夹杂着分子。这些缺陷可以通过明确的光学转变吸收和发射可见光范围内的光，还可以作为电子的局部陷阱。由于 hBN 中存在这些"原子缺陷"，科学家们现在可以研究这些被困电子的行为方式。他们可以研究电子与磁场相互作用的自旋特性。真正令人兴奋的是，研究人员可以在室温下利用这些缺陷中的光来控制和操纵电子自旋。这一发现为未来的技术应用，尤其是传感技术的应用铺平了道路。不过，由于这是首次有人报告该系统的自旋相干性，因此在其成熟到足以用于技术应用之前，还有很多问题需要研究。科学家们仍在研究如何使这些缺陷变得更好、更可靠。他们目前正在探究我们能在多大程度上延长自旋存储时间，以及我们能否优化对量子技术应用非常重要的系统和材料参数，如缺陷的长期稳定性和该缺陷发出的光的质量。"与这一系统的合作向我们彰显了材料基础研究的力量。至于 hBN 系统，作为一个领域，我们可以在其他新材料平台中利用激发态动力学，用于未来的量子技术。"论文第一作者 Hannah Stern 博士说，她在卡文迪什实验室进行了这项研究，现在是英国皇家学会大学研究员兼曼彻斯特大学讲师。未来，研究人员将进一步开发该系统，探索从量子传感器到安全通信等多个不同方向。"每一个新的有前途的系统都将拓宽可用材料的工具包，而朝着这个方向迈出的每一步都将推动量子技术的可扩展实施。这些成果证实了层状材料有望实现这些目标，"领导该项目的卡文迪什实验室主任梅特-阿塔图雷（Mete Atatüre）教授总结道。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：