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這個時鐘比銫原子鐘還更準!費米簡併態三維光晶格時鐘

在我高一的時候,背了兩個常數到現在還記得,第一個是光在真空中的速度,大家都記每秒30萬公里,但我偏偏記下了全部,也就是299792458公尺每秒;
另一個是銫原子在不同能階躍遷的頻率,是9192631770Hz,9.2GHz,大約是每秒92億次。當初記下來只是覺得好玩,好像在唸咒語似的。

1. Jun Ye教授團隊發表的鍶原子鐘。真空腔內有鍶原子,會上下震動,作用如同爺爺那個年代的時鐘的鐘擺。

  銫(Cesium),原子序55,原子量133,是IA族的元素。

  現在有更厲害的,叫做鍶(Strontium),原子序38,原子量87,是IIA族元素,鍶原子團在不同能階躍遷的頻率是429,500GHz。

  銫原子鐘大概三億年會有一秒的誤差,但鍶原子鐘的準度比宇宙壽命還要長,什麼意思? 就是150億年對它而言,真是「減一秒則太少,增一秒則太多」。

  最新發明的鍶原子鐘,準度可以到3000億年才有一秒誤差。這是來自科羅拉多大學的Jun Ye教授,他同時也任職於美國國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST),的團隊所發表的。



2. 最準的鍶原子鐘可以到3000億年誤差一秒



  Jun Ye教授的團隊把原子冷卻到接近絕對0度(更精準一點,15nK),讓每個原子乖乖地居住在自己的小格子內,不會和其他鄰居相撞,他們把這種超低溫原子的狀態叫做 “Fermi gas” ,費米氣體或“Quantum gas”,也就是一種簡併態物質(Degenerate matter)。



3. 雷射形成的空間干擾圖案(spatial interference pattern)



  簡併態物質是在庖立不相容原則下(Pauli exclusion principle),兩個費米子不能共用相同的量子態,當處於非常高壓的狀態,因為沒有為粒子留下多餘的空間,每個粒子的位置都能明確定義。

  團隊用光晶格的方法(optical lattice),用雷射光把10000個鍶原子困在一個密度為每立方公分有10兆個原子的極小範圍內。

  之前的原子鐘都是一維的,因為粒子很容易互相碰撞,影響準確性。



4. 三維光晶格,大的箭頭表示前進方向,小的雙箭頭表示極化方向。量化軸以磁場方向定義。



這個發明可以為我們來甚麼好處?



  第一,增加GPS定位的準確度;第二,對於超長距離的通信有所幫助,像是前往火星;第三,放在火山口,預測火山噴發;第四,幫助科學家了解量子力學的一些詭異現象,如一物同時出現在兩處;第五,尋找重力波,搜尋暗物質,驗證愛因斯坦的廣義相對論。



PS.您知道伏特和公尺也是用時間定義出來的嗎?



資料來源:

文章:

1. The most precise atomic clock ever made is a cube of quantum gas

https://www.newscientist.com/article/2149568-the-most-precise-atomic-clock-ever-made-is-a-cube-of-quantum-gas/

2. The World’s Most Precise Clock Reveals the Nature of Time and the Universe

https://motherboard.vice.com/en_us/article/vbkp3j/the-worlds-most-precise-clock-reveals-the-nature-of-time-and-the-universe

3. New 3D Quantum Gas Atomic Clock Keeps The Most Precise Time Ever

https://www.sciencealert.com/a-new-3d-quantum-gas-atomic-clock-keeps-the-most-precise-time-ever

4. Optical lattice clock shatters precision record

https://physicsworld.com/a/optical-lattice-clock-shatters-precision-record/

5. A Fermi-degenerate three-dimensional optical lattice clock

http://science.sciencemag.org/content/sci/358/6359/90.full.pdf



圖片:

1. https://www.newscientist.com/article/2149568-the-most-precise-atomic-clock-ever-made-is-a-cube-of-quantum-gas/

2. https://motherboard.vice.com/en_us/article/vbkp3j/the-worlds-most-precise-clock-reveals-the-nature-of-time-and-the-universe

3. Masao Takamoto, Feng-Lei Hong, Ryoichi Higashi & Hidetoshi Katori. (2005, June). Nature. An optical lattice clock.

4. http://science.sciencemag.org/content/sci/358/6359/90.full.pdf



 

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