目前，全世界的計時標(biāo)準(zhǔn)都是用原子鐘來定義秒，精度可以達(dá)到每2000萬年才誤差1秒（2000萬年前我們還是猿人）。原子鐘與我們平常見到的鐘長得完全不一樣，沒有表盤，沒有指針。原子鐘計時依賴于原子。
原子由原子核和電子組成，電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)形成不同能量差的電子層。當(dāng)原子從一個高“能量態(tài)”躍遷至低“能量態(tài)”時，它便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的—例如銫133的共振頻率為9 192 631 770Hz。因此銫原子便用作一種節(jié)拍器來保持高度精確的時間。
然而，由于電子系統(tǒng)無法直接計數(shù)光信號，這些高性能的光學(xué)時鐘還無法在電子領(lǐng)域大展拳腳，因此雷達(dá)、導(dǎo)航、通信和基礎(chǔ)研究都依賴于不太穩(wěn)定的微波源。
最近，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員使用了最先進(jìn)的原子鐘、先進(jìn)的光探測器和一種叫做頻率梳的測量工具，將在光學(xué)頻率下工作的原子鐘的非常穩(wěn)定性轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉l率，微波信號的穩(wěn)定性提高了100倍。穩(wěn)定的微波信號可以用于校準(zhǔn)電子設(shè)備。這標(biāo)志著朝著更好的電子技術(shù)邁出了巨大的一步，以實(shí)現(xiàn)更精確的授時、改進(jìn)的導(dǎo)航、更可靠的通信以及雷達(dá)和天文學(xué)的高分辨率成像。
微波信號轉(zhuǎn)換裝置。黑色矩形（中心）是一種高速半導(dǎo)體光電二極管，可將激光脈沖轉(zhuǎn)換為超穩(wěn)定的微波頻率。二極管周圍有一個鍍金的邊界，里面嵌有電線。電線將導(dǎo)線連接到用于提取微波信號的銅電路（頂部）。整個裝置靠在一塊黃銅板上以保持機(jī)械穩(wěn)定性。
在他們的裝置中，研究人員使用NIST的兩個鐿晶格鐘的“滴答聲”來產(chǎn)生光脈沖，以及用作齒輪的頻率梳來精確地將高頻光脈沖轉(zhuǎn)換成低頻微波信號。先進(jìn)的光電二極管將光脈沖轉(zhuǎn)換成電流，進(jìn)而產(chǎn)生一個10千兆赫（千兆赫，或每秒十億個周期）的微波信號，精確跟蹤時鐘的滴答聲，誤差只有一百萬的三次方（1后跟18個零）分之一。這種性能水平與光學(xué)時鐘相當(dāng)，比最好的微波源穩(wěn)定100倍。
光波的周期比微波短，速度快，所以它們有不同的形狀。在將穩(wěn)定的光波轉(zhuǎn)換成微波的過程中，研究人員跟蹤了相位（波的確切時間），以確保它們是相同的，并且不會相互移動。實(shí)驗(yàn)跟蹤了相位變化，其分辨率僅相當(dāng)于一個周期的百萬分之一。
首席研究員Frank Quinlan說，NIST系統(tǒng)的一些組件，如頻率梳和探測器，現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好用于現(xiàn)場應(yīng)用。但NIST的研究人員仍在致力于將最先進(jìn)的光學(xué)時鐘轉(zhuǎn)移到移動平臺上。鐿鐘的工作頻率為518太赫茲（每秒萬億次循環(huán)），目前在高度控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中占據(jù)著很大的空間。
超穩(wěn)定的電子信號可以支持廣泛的應(yīng)用，包括電子鐘的未來校準(zhǔn)。這是重新定義國際時間標(biāo)準(zhǔn)——國際單位秒的一個重要考慮因素，它現(xiàn)在是基于常規(guī)時鐘中銫原子吸收的微波頻率。未來幾年，國際科學(xué)界有望根據(jù)鐿等其他原子吸收的光頻率來選擇新的時間標(biāo)準(zhǔn)。超穩(wěn)定的信號也可以使無線通信系統(tǒng)更加可靠。
光學(xué)衍生的電子信號可以使成像系統(tǒng)更加敏感。雷達(dá)的靈敏度現(xiàn)在受到微波噪聲的限制，特別是對慢速物體，以后可能會大大提高。由NIST和弗吉尼亞大學(xué)合作生產(chǎn)的新型光電二極管，將光信號轉(zhuǎn)換成比以前的設(shè)計更容易預(yù)測、噪音更低的微波信號。此外，微波還可以攜帶遠(yuǎn)距離光學(xué)鐘的信號，用于導(dǎo)航和基礎(chǔ)物理研究。
天文成像和測量地球引力形狀的相對論大地測量，現(xiàn)在是基于檢測在世界各地接收器的微波信號，并結(jié)合起來，形成物體的圖像。這些接收器的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)可以使網(wǎng)絡(luò)從地球進(jìn)入太空成為可能，這將提高圖像分辨率，避免限制觀測時間的大氣扭曲。用幾個小時而不是幾秒鐘的觀察時間，研究人員可以拍攝出更多的物體。
很多時候，我們不會在意一分一秒的差別，但是在科學(xué)上就不行，研究人員的“斤斤計較”，為的是創(chuàng)造更好的世界。
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