如何重建原子钟

来源：科罗拉多大学博尔德分校

原子钟对日常生活至关重要，因为它们可以帮助我们的电信、电网、GPS 系统、运输和世界各地的其他流程保持精确的时间。其中一些时钟使用激光和特殊的谐振腔来测量时间间隔。它们是世界上最精确的时钟之一，也是最脆弱的时钟。

铯原子钟起着相应的作用，因为在原子铯中诱导的特定原子跃迁被用来定义时间单位：SI秒。位于科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究院（NIST）实验室几十年来一直存放原子钟 - 包括作为美国主要时间和频率标准的铯原子钟NIST-F1，研究人员继续通过尖端研究提高时钟的精度。特别是对于NIST-F1铯钟，这个过程包括重建时钟的一部分。

NIST-F1时钟也被称为“喷泉钟”，因为时钟内铯原子的喷泉状运动用于测量时间间隔。这些铯原子从一个特殊的真空室开始，六个红外激光束将自由飞行的原子聚集成一个球。在创建这个球的过程中，系统被冷却到接近绝对零度（零开尔文）以减慢原子的运动。

冷却后，两个垂直激光器将铯原子球抛入向上的弧形（“喷泉”），然后关闭所有激光束。铯球在一个特殊的充满微波的空腔中向上移动约一米，这可能会改变球内的一些原子。然后球掉落，微波场再次可能与原子相互作用，导致更多的原子改变其状态。最终的原子状态是通过测量另一个激光束诱导的改变原子的荧光来确定的。

整个过程大约需要一秒钟，并重复多次以找到激发铯原子特定时钟跃迁的正确频率。一旦找到微波频率，微波信号与铯原子相互作用将导致最大数量的铯原子改变其状态（在最大荧光下），然后使用该频率通过精确计算9，192，631，770个信号周期（由科学家发现）来定义一秒钟的时间。然后将此定义应用于其他时钟以进行校准和精确计时。

微波腔是计时过程中的关键部分，NIST的研究人员希望通过重建整个腔来提高时钟的精度。“我们以前的钟腔存在问题，限制了时钟的准确性，”NIST科学家Vladislav“Vladi”Gerginov解释说。“其中一个问题是空腔的材料（铝）。

由于原子钟对腔体形状、导电性和抛光方面的缺陷非常敏感，因此腔体的材料必须由正确的材料制成，并具有精确的形状、尺寸和光洁度，以尽量减少时钟的不准确性。“构建铯钟的关键步骤之一是调整腔的频率以匹配铯的过渡频率，”JILA（NIST和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所）的仪器制造商Calvin Schwadron解释说。“微波腔共振的频率取决于其内部的体积。

为此，研究人员依靠发现JILA的专业知识。据JILA的W.M. Keck计量实验室和洁净室负责人Curtis Beimborn说：“腔体（Q）的质量对于提高时钟的性能非常重要。

为了提高腔的Q值，Gerginov与JILA的机器和仪器车间合作，利用仪器车间和洁净室用铜建造了新的微波腔。“像这样完整的商店合作是非常罕见的，”JILA仪器制造商Adam Ellzey说，“在设计咨询期间，我们六个人都与Vladi坐在一起。在制造阶段，我们都定期相互检查，以确保我们的零件适合并且我们的设计一致。制造将成为国家时间标准的时钟组件是一件大事，需要经过一些真正的思考。看到我的乐器制造商同事展示他们的专业知识真是太棒了。我学到了很多东西。

JILA仪器商店是使JILA成为独特研究机构的关键因素。仪器车间负责人凯尔·撒切尔（Kyle Thatcher）表示：“JILA仪器车间的真正价值在于，科学家有机会直接与仪器制造商合作，以实现他们的实验设备。这意味着从概念开始，科学家们就能够利用商店积累的大量机构知识，在设备的设计、工程、制造和测试方面进行合作。此外，由于仪器车间的开放政策，并且距离如此之近[在JILA的建筑物中]，允许非常快速的迭代开发，故障排除和设备修改[和]维修。

科学家和仪器制造商之间密切合作的过程在大多数研究机构中都很少见，因为传统上，仪器制造商很少来回处理科学家提供的设计，正如撒切尔解释的那样。在JILA，内部商店和科学家之间的合作允许定制仪器，这是其他地方找不到的。这包括NIST-F1铯钟的部件。

“仪器车间能够与 Vladi 和他的同事合作，帮助优化系统的关键功能，包括材料选择、组件减少、可维护性和制造设计，”撒切尔解释道。“然而，更重要的是，Vladi 能够在车间内从 NIST 设置他的测试设备，在那里他能够几乎实时地量化正在制造的零件的性能，从而使制造过程能够即时调整，从而提高结果。”

创建新型腔的过程涉及许多不同的步骤，包括 Gerginov 和机械师之间在腔体设计方面的持续来回。在对新铜腔进行初步测试后，Q值大约比预期低三倍，Vladi怀疑腔内的金属表面光洁度可能是罪魁祸首，因为微波频率电流被限制在金属表面，而不是穿过主体[壁]。

“Calvin和Vladi把它带到了光学计量实验室，我用我们的光学轮廓仪测量了他们的表面粗糙度，”Beimborn说。“果然，粗糙度足够大，以至于所有微小的表面缺陷都大大增加了微波频率电流在腔体内的行进距离，从而降低了Q因子。在这次测量之后，Calvin抛光了腔体的内部，我相信Vladi立即看到了Q的两倍改进。

由于NIST与JILA的密切合作，新的腔体将有助于NIST-F1铯钟恢复工作。正如NIST时间和频率部门负责人Elizabeth Donley所说：“JILA车间的型腔加工是使喷泉重新上线的工作中非常重要的一部分，我们对此非常感激。JILA商店成为如此宝贵的当地资源真是太好了。

随着时钟的启动和运行，NIST研究人员可以继续致力于推动原子钟物理学的界限。“该时钟将在NIST用于校准官方NIST时间刻度，以及其他原子钟和频率参考，”Gerginov补充道。