新加坡国立大学量子技术中心的研究人员近日公布了一项原子钟领域的重要进展，他们利用稀土元素镥制造出一种新型光学原子钟，并通过两台同类型原子钟之间的精密比对，将系统不确定度降低至1.2×10⁻¹⁹。研究团队认为，这一结果使镥原子钟成为目前精度最高的计时装置之一，并有望成为未来重新定义国际单位制“秒”的候选技术。
这项研究的背景是，全球计量学界正在考虑是否需要重新定义“秒”的基本定义。目前国际单位制中的1秒，是根据铯-133原子基态两个超精细能级之间的跃迁频率定义的，也就是9192631770次特定微波跃迁。自20世纪60年代以来，铯一直是原子钟的核心材料，但随着光学原子钟技术快速发展，利用锶、镱、钙等元素制造的下一代原子钟已经能够达到远高于传统铯原子钟的精度。
光学原子钟的基本原理，是利用激光精确控制原子中的电子，使电子在两个量子态之间发生跃迁，并通过测量这一跃迁频率来计时。可以把电子的量子跃迁理解成一个极其稳定的“摆”。只要能够足够准确地控制和测量这种摆动，就可以获得异常精确的时间基准。
镥之所以受到研究人员关注，是因为这种元素具有一些非常适合制造高精度原子钟的特性。镥属于镧系元素，原子质量较大，电子结构使其受到环境因素影响的程度相对较低。特别是它对热辐射以及磁场变化并不敏感，因此能够减少环境因素给计时过程带来的系统误差。
研究人员表示，镥原子钟的这种特性意味着，即使环境温度发生较大变化，或者磁场条件出现改变，原子钟仍然能够保持相对稳定的计时性能。研究团队负责人、新加坡国立大学物理学家Murray Barrett甚至表示，如果把这种原子钟从美国死亡谷这样的极端高温环境带到南极高原这样的极端低温环境，它依然能够保持非常高的稳定性。
镥还有一个非常重要的优势，那就是其相关原子跃迁频率非常高，大约是铯原子钟所使用频率的1万倍。更高的“滴答”频率意味着单位时间内可以获得更多测量周期，从而为极高精度的时间测量提供基础。
不过，镥也是地球上最稀有的稀土元素之一，同时也是研究程度相对较低的元素。这意味着虽然理论上它非常适合作为原子钟材料，但科学家过去对于镥原子在高精度计时环境中的实际表现了解并不充分。
Murray Barrett的团队已经围绕镥原子钟研究了大约10年。在最新实验中，研究人员制造了两台镥离子原子钟，并按照严格的计量学标准对它们进行相互比对。通过多年积累的实验数据以及对镥离子本身特性的深入研究，团队最终将系统不确定度降低到了1.2×10⁻¹⁹。
这个数字代表着原子钟在测量自身频率时可能存在的系统误差规模。为了理解这一精度有多高，可以将它理解为每10¹⁹个时间单位中只有极其微小的一部分不确定性。此前，中国科学院研究人员今年利用钙离子原子钟取得了4.4×10⁻¹⁹的系统不确定度，因此新加坡团队公布的1.2×10⁻¹⁹进一步刷新了这一指标。
不过，原子钟精度的测量本身也是一项极其困难的工作。达到这种水平之后，甚至地球自身的引力差异都不能再被忽略。根据广义相对论，引力越强，时间流逝速度越慢。在这种精度下，即使两台原子钟之间只有几毫米的高度差，由于它们距离地球核心的距离不同，也可能产生足以影响实验结果的时间差。
换句话说，当科学家把一秒切割成数万亿甚至更多个极小时间片之后，地球表面不同位置之间极其微弱的引力差异都可能成为实验中的重要变量。因此，原子钟实验室不仅需要控制温度、磁场、激光等条件，还必须极其精确地测量两台钟所在的位置和高度。
而这种令人难以置信的敏感性恰恰也是下一代原子钟最重要的科学价值之一。由于时间会受到引力场影响，如果原子钟足够精确，科学家甚至可以通过比较不同位置的时间变化来测量极其微小的重力差异。这种能力未来可以用于精密地球测量，例如研究地下结构、地质变化以及地球引力场的细微变化。
更重要的是，极高精度的原子钟还可以用于基础物理研究。科学家希望利用这些设备寻找广义相对论与量子力学之间尚未解决的矛盾，并探索标准模型之外的新物理。例如，如果某些被认为是自然界基本常数的参数实际上会随时间或环境发生极其微小的变化，那么足够精确的原子钟就有可能捕捉到这种异常。
与此同时，新型光学原子钟也正在推动国际计量体系发生变化。随着锶、镱、铝离子、钙离子以及镥等多种原子钟不断刷新精度纪录，国际科学界正在研究是否应该在未来用光学频率标准取代目前基于铯原子微波跃迁的“秒”定义。
相比传统铯原子钟，光学原子钟的工作频率高出几个数量级，因此理论上可以提供更加精细的时间基准。如果未来国际计量界决定重新定义“秒”，这些光学原子钟将成为重要候选技术。
新加坡团队认为，镥原子钟尤其具有潜力，因为它不仅能够达到极高精度，而且对外部环境变化的敏感程度相对较低，这意味着未来有可能制造出更加稳定、更加实用的高精度计时系统。
当然，1.2×10⁻¹⁹目前仍然是实验室条件下得到的系统不确定度，并不意味着这种原子钟已经能够在任何环境中保持完全相同的表现。研究人员还需要进行更多测量和不同条件下的交叉验证，以进一步确认这一纪录，并继续降低可能存在的系统误差。
研究团队认为，随着实验持续进行，镥原子钟的精度还有进一步提升的空间。团队负责人Murray Barrett甚至认为，从目前的技术路线来看，未来很难再找到能够轻易超越这种架构的方案。
这项研究已经发表在《自然》杂志上。如果后续实验能够进一步验证镥原子钟的性能，它不仅可能成为下一代全球时间基准的重要候选者，也可能成为研究引力、暗物质以及基础物理规律的新工具。换句话说，这种看似只是在“更准确地计时”的设备，实际上正在把人类测量宇宙基本规律的能力推进到前所未有的尺度。