最準的時鐘-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:
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