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新型 Atomic Fountain Clock 加入全球授时精英行列

2025年4月28日

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Two researchers in safety glasses stand behind a table holding various electronic and laser devices. A metal structure in the foreground is part of the atomic clock. NIST 科学家 Greg Hoth（左）和 Vladislav Gerginov 在 NIST 的新型铯原子喷泉钟 NIST-F4 上工作。 图片来源：R. Eskalis/NIST 下载 | 图片信息

由于位于科罗拉多州 Boulder 的 National Institute of Standards and Technology (NIST) 园区内的新型原子钟 NIST-F4，地球上的时钟走动更加规律。

本月，NIST 研究人员发表了一篇期刊文章(link is external)，确定 NIST-F4 是世界上最精确的计时器之一。NIST 还已将该时钟提交给 International Bureau of Weights and Measures (BIPM)，该机构负责监督世界时间，以获得其作为主要频率标准的认可。

NIST-F4 测量铯原子核心中不变的频率，自 1967 年以来，这是国际上商定的秒的定义基础。该时钟基于“喷泉”设计，代表了计时精度的黄金标准。NIST-F4 的滴答速度非常稳定，如果它在 1 亿年前恐龙漫游时开始运行，那么今天它的误差将不到一秒。

通过加入由全球仅 10 个国家运行的一小群类似精英计时器，NIST-F4 使全球时间的基础更加稳定和安全。与此同时，它正在帮助引导 NIST 用于保持美国官方时间的时钟。通过无线电和互联网分发的美国官方时间对于电信和运输系统、金融交易平台、数据中心运营等至关重要。

NIST 时间与频率部门主管 Liz Donley 表示，NIST-F4 改进了时间信号，这些信号“每天被使用数十亿次，用于从设置时钟和手表到确保数千亿美元的电子金融交易的准确时间戳的所有事情”。

Introducing NIST-F4: The Nation's New Primary Frequency Standard Introducing NIST-F4: The Nation's New Primary Frequency Standard

NIST-F4 不仅仅是一个时钟，它是几十年科学创造力、工程突破和对精度不懈追求的结晶。在本视频中，我们将探索美国最新的主要频率标准 NIST-F4 的创建过程，以及它如何重新定义以原子精度测量时间的含义。从意想不到的缺陷到突破性的重新设计，这是一个关于有史以来最精确的计时仪器之一是如何诞生的故事，以及为什么它对于从全球同步到未来技术的一切都至关重要。因为当涉及到时间时，每一纳秒都很重要。了解更多：https://www.nist.gov/atomic-clocks

一种特殊的时钟

像 NIST-F4 这样的铯原子喷泉钟是一种原子钟——一种复杂的、高精度的设备，可以从原子中提取计时脉冲。这些时钟在我们全球互联的社会中发挥着关键作用：它们充当“主要频率标准”，共同校准 Coordinated Universal Time（UTC），即协调世界时（一种使用来自世界各地原子钟的数据来保持时间的商定系统，称为时间尺度）。

像 NIST 这样的国家计量实验室使用自己的时间尺度生成和分发 UTC 版本；例如，NIST 的版本称为 UTC(NIST)。然后，这些国家时间尺度用于同步我们在日常生活中依赖的时钟和网络。

阅读更多关于全球计时如何运作的信息。

在喷泉钟中，数千个铯原子云首先使用激光冷却到接近绝对零度。然后，一对激光束轻轻地将原子向上抛起，之后它们在自身重量的作用下落下。

在它们的旅程中，原子两次穿过充满微波辐射的小室。第一次，当原子向上运动时，微波将原子置于一种量子状态，该状态以称为铯共振频率的特殊频率及时循环，铯共振频率是由自然定律设定的不变常数。

大约一秒钟后，当原子落回时，微波和原子之间的第二次相互作用揭示了时钟的微波频率与原子的自然共振频率有多接近。该测量用于将微波频率调整到原子共振频率。

然后，探测器计数 9,192,631,770 个经过微调的微波的波周期。计数这些周期所需的时间定义了官方国际秒。

（这可能早在 2030 年就会发生变化，届时各国计划考虑重新定义秒，根据一种或多种不同的原子元素，用于所谓的 Optical Clocks，它可以比喷泉钟更精确地测量时间。即便如此，铯喷泉钟仍将在计时中发挥重要但作用较小的作用。）

How does NIST-F4, NIST's newest fountain clock, work? How does NIST-F4, NIST's newest fountain clock, work?

认识 NIST-F4，NIST 最新的喷泉钟，也是我们国家测量秒的主要标准。它用于校准氢迈泽钟，这些氢迈泽钟决定了美国的标准时间。在此动画中，我们将解释其工作原理的复杂性。

阅读更多关于喷泉钟如何工作的解释。

历时多年的旅程

在世界任何地方运行的铯喷泉都不足 20 个。与为互联网数据中心、股票市场和其他私营企业滴答计时的商用原子钟不同，几乎每个喷泉钟都是由 NIST 等国家计量实验室的科学家建造和运行的。“这是一项具有真正性能优势的精美技术，但它非常精致，”NIST 喷泉钟团队的物理学家 Greg Hoth 说。

让 NIST-F4 加入这个稀有俱乐部是一个历时多年的旅程。NIST 科学家在 20 世纪 90 年代后期建造了该机构的第一个喷泉钟 NIST-F1。NIST-F1 运行了超过 15 年的时间，并用于执行定期的频率校准。但是喷泉钟既脆弱又精确，在 2016 年搬到新建筑物后，必须恢复时钟并仔细测试，才能再次作为主要频率标准运行——这个过程花费的时间比预期的要长。

2020 年，物理学家 Vladislav Gerginov 开始调查 NIST-F1 的频率测量结果。最终，他、Hoth 和同事决定从头开始重建时钟的核心——微波腔，在其中测量铯原子。为了达到必要的精度，他们需要实现 5 到 10 微米的公差——大约是人头发宽度的五分之一。

科学家们添加并微调了新的电加热线圈、磁线圈、光学元件和微波元件。NIST 团队决定将新的喷泉命名为 NIST-F4。（NIST 建造了另外两个喷泉钟，NIST-F2 和 NIST-F3，使 NIST-F4 成为该系列的第四个。）

阅读更多关于构建 NIST-F4 的过程。

研究团队花费了数月的时间进行测量，以确保 NIST-F4 不会因压力和温度波动或杂散的电场和磁场等因素而受到影响。他们将喷泉的滴答声与氢迈泽（氢原子微波激射器）的滴答声进行比较——氢迈泽是为美国官方时间滴答计时的主力原子钟——以确保它们保持稳定、不变的节拍。

“喷泉钟应该非常无聊，”Hoth 说。

Gerginov 说，评估像 NIST-F4 这样的喷泉钟“是一个缓慢的过程，因为我们必须非常保守”。他说，在将其投入使用之前，“我们应该了解有关它的一切”，因为计时信号中的任何错误不仅会破坏美国的时间，还会破坏全球计时基础设施。

本月，NIST 团队在 Metrologia 杂志上报告(link is external)，NIST-F4 的频率测量精度在 10 的 16 次方（1000 万亿）中达到 2.2 份——与世界上最好的喷泉钟相当。NIST 团队还将时钟数据发送给 BIPM，在那里，一个专家团队正在对其进行检查，然后 BIPM 才会正式将该时钟认证为主要频率标准。

“NIST-F4 的成功重新确立了 NIST 在主要频率标准方面的全球领导地位，”Donley 说。“Vladi 和 Greg 运用聪明才智和技能来恢复 NIST 原子喷泉的可靠、世界一流的运行。”

NIST-F4 和第二个喷泉钟 NIST-F3 的运行时间约为 90%，在任何给定时间至少有一个时钟在运行。来自 NIST-F4 的数据将定期发送到 BIPM 以校准 UTC，并且两个时钟都已经在帮助引导 NIST 时间尺度 UTC(NIST)。

Donley 说，NIST 时间尺度“已经从喷泉的高正常运行时间和其性能的可靠性中受益匪浅”。

阅读更多关于 NIST 的喷泉钟的信息。

论文：Vladislav Gerginov, Gregory W. Hoth, Thomas P. Heavner, Thomas E. Parker, Kurt Gibble 和 Jeff A. Sherman。主要频率标准 NIST-F4 的精度评估。Metrologia。2025 年 4 月 15 日在线发布。DOI: 10.1088/1681-7575/adc7bd(link is external)

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