铯原子钟

铯原子钟
所有时钟的构造都包括两大部分：能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时钟指针的齿轮。

大约50年前首次研制出的原子钟增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控制“钟摆”。

目前最高级的原子钟，就是利用106个液态金属铯原子对微波辐射产生共振效应来控制时针的走动。

这样的时针每秒约走动1011次，时钟指针走动得越快，时钟计算的时间也就越精确。

每一种原子都有自己的特征振动频率。

人们最熟悉的振动频率现象，就是当食盐被喷洒到火焰上时，食盐中的元素钠所发出的橘红色的光。

一个原子可以具有多种特征振动频率，可能位于无线电波波段、可见光波段，或介于其中。

铯－133则被普遍地选用作原子钟。

将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。

通常是采用锁定晶体震荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。

这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。

秒的定义
随着精确测量时间的工具不断改进推出，人们自然会怀疑时间单位本身的精确性。

时间量测单位在数学方面定义的很清楚，一秒是1/60分钟，一分钟是1/60小时，亦即一小时是1/24天，一秒等于一天的1/86400。

但事实上，因为地球在运行之速度及距离太阳的改变，一个太阳日—由正午至正午的一段时间，并非都一样长。

公元1960年以前，CIPM （世界度量衡标准会议）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。

即1秒＝1/86400平均太阳日。

然而地球自转并不稳定，会因其它星体引力的牵引而改变。

公元1960～1967年CIPM改以地球公转为基础，定义公元1900年为平均太阳年。

秒定义更改为：一秒为平均太阳年之31556925.9747分之一。

公元1967年举行的第十三届国际计量大会 (General Conference on Weights and Measures) 选择以铯原子的跃迁做为秒的新定义，即铯原子同位素Cs133基态超精细能阶跃迁9,192,631,770个周期所经历的时间，定为1秒（称作「原子秒」），秒的新定义使计时方式进入了原子的时代，此定义一直维持至今。

1秒＝铯原子单摆摆动9192631次所持续的时间
铯原子钟
利用铯－133原子的某一固定振荡，所做成的国际标准定时器。

由于所有的铯原子都是一样的，因此利用铯原子的特性所制成的定时器，也就具有高度的可靠性与复制性。

目前最先进的铯原子钟技术，例如美国的国家标准与技术署（NIST，National Institute of Standards and Technology）的 NIST－F1 铯原子钟，已经可以做到2×10－15的精准度，也就是说，大约二千万年才有一秒的误差。

铯－133 原子基态的两个精细分裂能阶
铯－133 原子的原子核是由 55 个质子，和 78 个中子结合而成，外围则有 55 个电子绕着原子核运动。

根据量子力学原理，铯原子只能有分立、不连续的能量状态，而这些能阶则是由原子核外围电子的运行轨域所决定。

由于铯－133 原子的所有电子，除了最外围的电子之外，都被原子核的电磁力所束缚，处于相对稳定的状态。

当原子最外围的电子的运动处于基态（ground state）时，并不易受到原子内其它电子的干扰，只受到除了原子核的电磁库仑力和微弱的原子核自旋的影响。

然而这些微弱的原子核自旋作用，能把基态的能量再细细地分裂成两个几乎拥有相同能量的能阶，称之为超精细能阶（hyper-fine energy levels）。

当电子吸收或放出的光子能量符合这两个精细能阶的能量差时，电子就可以在这两个超精细能阶跃迁，进而改变了整个原子的自旋状态。

传统铯原子钟
传统铯原子钟是藉由铯原子与微波相互作用形成共振吸收，以探测铯原子跃迁能量所对应的频率而达到实现秒定义之目的。

其方法是利用外加磁场将铯原子的两个基态超精细能阶分离出来：将处在单一能态的铯原子经过微波共振腔振荡场与微波作用后，一部分铯原子即跃迁至较高能阶，铯原子跃迁至此一能阶的比例即可代表微波场微波频率与铯原子共振频率的重叠程度，微波频率若能与铯原子共振频率完全一致，则这时的微波频率就可以用来实现秒的定义。

室温下呈液态的铯金属在加热后蒸发，受热后的铯原子，将会以约 250 m/s 速率注入真空管内，此时处在 F＝3 基态的铯原子会通过 A 磁铁，进入真空的微波共振腔。

基态的铯原子在通过此真空信道时，将会吸收适当频率的微波，而跃迁到 F＝4 的超精细基态。

最后当铯－133 原子到达信道的另一端时，B 磁铁会选择让能阶 F＝4 的铯原子通过，而到达原子侦测器。

所以，当原子侦测器所测得的讯号最大时，表示微波共振腔里的微波，已经调整到可以使基态铯原子跃迁的频率，也就是 9,192,631,770 Hz。

喷泉式铯原子钟
公元 1993 年到 1999 年美国 NIST 是利用铯原子束原子钟作为时间量测的标准，但从公元 2000 年开始，NIST 改为采用 X 雷射冷却技术的喷泉式铯原子钟。

喷泉式铯原子钟是以雷射致冷之铯原子团为基础，将冷原子向上发射形成喷泉状而得名。

其工作过程是将铯原子像喷泉一样的“升降”。

这一运动使得频率的计算更加精确。

在冷原子团的运动路径上放置微波共振腔，目的在取出铯原子与微波共振讯号作为锁频之用。

在喷泉式铯原子钟中，低温造成铯原子的运动速度极慢，而与微波的作用时间拉长，故讯号的分辨率比传统的铯原子钟好 100 倍以上。

右图为喷泉式铯原子钟工作过程的示意图。

这个过程主要可分为四个阶段：
（1）6束近红外线雷射光（图中黄线）以适当的角度打向铯原子，把这些铯原子的热运动减慢并将铯原子聚集成球状，此时铯原子团的温度会下降到接近绝对零度。

（2）铯原子被冷却后，两束垂直的激光将铯原子向上举起，形成“喷泉”式的运动，然后关闭所有的激光器。

这个很小的推力将使铯原子向上举起约1公尺高，穿过微波共振腔，这时铯原子吸收了微波的部分能量。

（3）此时将雷射光关掉，原子受到重力的作用，会向下再度通过微波共振腔，并将所
吸收的能量全部释放出来。

（4）如果微波共振腔内的微波频率，正好可以使基态铯原子得以在两个超精细能阶之
间跃迁时，则当铯原子一上一下通过微波共振腔时，有些铯原子会因跃迁而改变原子的能量态。

最后再把雷射光打到这些处于受激态的铯原子，以激发这些铯原子放出光子而回到基态能阶。

调整微波共振腔内的微波频率，使铯原子侦测器量测的讯号达最大值，此时的微波能量即为铯原子能阶差。

上述过程在多次重复进行后，将每一次微波共振腔中的共振频率取平均值，而得到一个确定频率的微波，使大部分铯原子的能量状态发生相应改变。

这个频率就是铯原子的天然共振频率，或确定秒长的频率。

当在微波共振腔中发生能态改变的铯原子与激光束再次
发生作用时会放出光能。

同时，一个探测器（右）对这一荧光柱进行测量。

整个过程多次重复，直到达到出现最大数目的铯原子荧光柱。

探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出，处在正确频率的微波场呈现峰值。

这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的铯原子天然共振频率。

这个共振频率再被9,192,631,770除，就得到目前所定义的1秒脉冲。

全光学原子钟
美国Science期刊于2001年7月12日的一项研究报告指出，美国科学家已经将先进的雷射光技术和单一的汞原子相结合而研制出世界上最精确的时钟。

科罗拉多州科学家利用机械式变速齿轮组的原理，量测出更准确的时间（距）。

美国国家标准局在60年代即利用原子振动周期，即原子钟来定义一秒。

现在是将铯原子震动9,192,631,770次的时间定义为一秒。

其误差精密度为三亿年一秒。

然而对于研究宇宙天体的天文学家而言还是不够精确。

原子钟的准确度受到原子热振动的影响，在高频部分，因为原子共振而使原子钟的准确度降低，这是目前所有的电子装备难以避免及克服的。

十年前发展的原子冷却技术，可用来降低原子共振现象，但却很难确切地观测到原子的运动。

目前科学家正设法激发共振一个汞原子。

其原理是将第一道可见光雷射推进紫外光范围。

之后再用4×10－14秒长的第二道激光脉冲与先前可见光雷射交互作用，使高频的可见光讯号转换成低频的微波讯号，藉以监测汞原子的共振频率。

如果成功地利用此机制（又称齿轮降速原理），将会制造出比铯原子钟的准确度更高100倍的新原子钟。

美国国家标准与技术研究所的科学家研制出了这种新型的以高频不可见光波和非微波辐射为基础的原子钟。

由于这种时钟的研制主要是依靠雷射光技术，因而被命名为「全光学原子钟」。

原子时钟的“滴答”来自于原子能量的转变，在当前的原子钟中，铯原子是在微波频率范围内转变的。

若光学转变是发生在比微波转变高得多的频率范围时，能提供一个更精细的时间尺度，也可以更精确地计时。

这种新研制出来的全光学原子钟在1秒内将产生1015次的“滴答”，是微波铯原子钟的105倍，所以用来测量时间将更精确。

此铯原子钟使用的高速电子学技术并不能计算更多的时钟指针走动次数，因此美国科学家在研究新型的全光学原子钟时使用的不是铯原子，而是单个冷却的液态汞离子（失去一个电子的汞原子），并把它与功能相当于钟摆的飞秒（一千万亿分之一秒）激光振荡器相连，时钟内部配备了光纤，光纤可将光学频率分解成计数器来记录微波频率脉冲。

要制造出这种原子钟需要有能够捕捉
相应离子的装置，并将捕捉到的离子静止以保证在如此高的频率下准确地读取数据的技术。

这种时钟的优劣依赖于它的稳定性和准确性，也就是说，这个时钟要提供一个持续不变的输出频率，并使它的测量频率与原子的共振频率相同。

主持这一研究计划的美国物理学家S. A. Diddams说：“我们首次展示了这种新一代原子钟的原理，这种时钟可能比目前的微波铯原子钟精确100到1,000倍。

”它可以计算有史以来最短的时间间隔。

科学家们预言这种时钟可以提高航空技术、通信技术（如移动电话和光纤通信技术等的应用水平），同时可用于调整卫星运行的精确轨道、外层空间的航空和联接宇宙飞船等。