原子钟在日常生活中至关重要，因为它们帮助我们的电信、电网、GPS系统、交通和世界各地的其他进程保持精确的时间。其中一些时钟使用激光和特殊谐振腔来测量时间间隔。它们是世界上最精确的时钟，也是最脆弱的。
铯原子钟起着重要的作用，因为在铯原子中诱导的特定原子跃迁被用来定义时间单位:国际单位制秒。美国国家标准与技术研究所(NIST)位于科罗拉多州博尔德的实验室几十年来一直在安装原子钟，其中包括作为美国主要时间和频率标准的铯原子精东影业传媒出品 钟NIST- f1，研究人员通过前沿研究不断提高原子钟的精度。特别是对于NIST-F1铯钟来说，这一过程包括重建时钟的部分部件。
NIST-F1时钟也被称为“喷泉时钟”，因为时钟内的铯原子像喷泉一样运动，用于测量时间间隔。这些铯原子开始于一个特殊的真空室中，在那里，六束红外激光束将自由飞行的原子聚集成一个球。在创造这个球的过程中，系统被冷却到接近绝对零度(零开尔文)，以减缓原子的运动。
冷却后，两个垂直的激光器将铯原子球抛向一个向上的弧线(“喷泉”)，然后所有的激光束都被关闭。铯球在一个特殊的微波填充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，微波场可能再次与原子相互作用，导致更多的原子改变状态。最终的原子状态是通过测量由另一束激光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会导致铯原子的最大数量改变它们的状态(在最大荧光时)，然后用一个计数器精确地计算9,192,631,770个信号周期(由科学家发现)来定义一秒的时间。这个定义然后应用于其他时钟校准和精确计时。
微波腔是计时过程中至关重要的一部分，NIST的研究人员希望通过重建整个腔来提高时钟的准确性。NIST科学家Vladislav“Vladi”Gerginov解释说:“我们之前的钟腔存在问题，限制了钟的准确性。”“其中一个问题是腔体的夜间正能量网站入口网址不用下载材料(铝)。”
由于原子钟对空腔形状、导电性和抛光方面的缺陷极其敏感，因此空腔的材料必须由正确的材料制成，并且具有精确的形状、大小和抛光度，以最大限度地减少时钟的误差。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:“建造铯钟的关键步骤之一是调整腔的频率以匹配铯的转变频率。”“微波腔共振的频率取决于它内部的体积。”
为了做到这一点，研究人员依靠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。”
为了增加腔体的Q, 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体。“像这样的全面合作是非常罕见的，”JILA乐器制造商Adam Ellzey说，“我们六个人都坐在Vladi的设计咨询中。在制造阶段，我们都定期互相检查，以确保我们的零件合适，我们的设计一致。制造一个将成为国家时间标准的时钟组件是一件需要认真思考的大事。看到我的乐器制造商同事们展示他们的专业知识真是太棒了。我学到了很多。”
JILA仪器商店是使JILA成为一个独特的研究机构的关键因素。仪器商店的负责人Kyle Thatcher说:“JILA仪器商店的真正价值在于，科学家有机会直接与仪器制造商合作，实现他们的实验仪器。这意味着，从概念开始，科学家们就能够利用工厂积累的大量机构知识，在设备尤物yw193can入口的设计、工程、制造和测试方面进行合作。此外，由于仪器商店的开放政策，并且距离JILA大楼如此近，可以进行非常快速的迭代开发、故障排除以及设备修改和维修。”
在大多数研究机构中，科学家和仪器制造商之间的这种密切合作是相当罕见的，因为传统上，仪器制造商在科学家提供的设计中很少来回工作，撒切尔解释说。在JILA，内部商店和科学家之间的合作允许定制其他地方找不到的仪器。这包括NIST-F1铯钟的部件。
“仪器商店能够与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、适用性和制造设计，”Thatcher解释道。“然而，更重要的是，Vladi能够在车间内设置NIST的测试设备，在那里他能够实时量化正在制造的部件的性能，从而使制造过程能够动态调整，提高结果。”
创造一个新的空腔的过程涉及许多不同的步骤，包括热吉诺夫和机械师在空腔设计上的反复讨论。在对新的铜腔进行初步测试后，Q值大约比预期低了三倍，Vladi怀疑腔内的金属表面光面可能是罪魁祸首，因为微波频率电流被限制在金属表面，而不是穿过体积[壁]。
Beimborn说:“Calvin和Vladi把它带到光学计量实验室，我用我们的光学轮廓仪为他们测量了表面粗糙度。”“果然，粗糙度足够大，所有微小的表面缺陷都大大增加了微波频率电流在腔内传播的距离，这降低了Q因子。在这次测量之后，Calvin对腔体内部进行了抛光，我相信Vladi马上就看到了Q的两个改进因素。”
得益于NIST与JILA的密切合作，新的腔体将帮助NIST- f1铯钟恢复工作。NIST的时间和频率部门负责人Elizabeth Donley说:“JILA车间的腔体加工是使喷泉重新投入使用的非常重要的一部分，我们对此非常感激。JILA店是如此宝贵的当地资源，真是太棒了。”
随着原子钟的启动和运行，NIST的研究人员可以继续推进原子钟物理学的边界。Gerginov补充说:“该时钟将用于校准NIST官方时间刻度，以及其他原子钟和频率参考。”
由科罗拉多大学博尔德分校提供
引文:如何重建原子钟(2022,12月9日)检索到2022年12月10日从https://phys.org/news/2022-12-rebuild-atomic-clock.html
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