探索宇宙奧秘 · 理性思考

如果你的手表每天誤差一秒，你會(huì)覺(jué)得它很糟糕。但如果一臺(tái)鐘運(yùn)行百億年，誤差還不到一秒呢？這正是科學(xué)家最新實(shí)現(xiàn)的超穩(wěn)激光器所具備的潛力。美國(guó)和德國(guó)研究團(tuán)隊(duì)最近宣布，他們使用一種名為"晶體鏡面"的新材料，將激光頻率穩(wěn)定性推向了2.5×10?1?的歷史新紀(jì)錄。 這個(gè)數(shù)字意味著，如果用它驅(qū)動(dòng)光學(xué)鐘，連續(xù)運(yùn)行三億年，走時(shí)誤差也不會(huì)超過(guò)一秒。

激光想要穩(wěn)定，需要被"困"在兩面鏡子之間反復(fù)彈跳。這種裝置叫法布里-珀羅腔。過(guò)去幾十年，科學(xué)家一直用電介質(zhì)涂層來(lái)增強(qiáng)鏡面反射率，但這種非晶態(tài)薄膜存在致命缺陷：內(nèi)部原子隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲，會(huì)像背景雜音一樣干擾激光頻率。

這場(chǎng)突破并非孤立事件，而是光學(xué)鐘競(jìng)賽的最新里程碑。上世紀(jì)中葉，人類依靠石英晶體振動(dòng)計(jì)時(shí)，精度約10??量級(jí)。本世紀(jì)初，光晶格鐘和離子鐘將精度推進(jìn)到10?1?量級(jí)，但激光系統(tǒng)的熱噪聲始終是一道看不見(jiàn)的天花板。

在這場(chǎng)精密測(cè)量的國(guó)際競(jìng)賽中，中國(guó)并非旁觀者。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（NIM）已建成多套光學(xué)鐘系統(tǒng)，其研制的鍶光鐘頻率不確定度已達(dá)到10?1?量級(jí)，與國(guó)際先進(jìn)水平并跑。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域持續(xù)突破，其研發(fā)的超穩(wěn)激光系統(tǒng)為光量子計(jì)算和量子通信提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

在晶體鏡面這一特定賽道上，中國(guó)仍存在明顯差距。目前高性能AlGaAs晶體涂層主要依賴美國(guó)Thorlabs等國(guó)外機(jī)構(gòu)供應(yīng)。國(guó)內(nèi)雖有中科院上海光機(jī)所、清華大學(xué)精密儀器系等單位開展相關(guān)研究，但在低損耗晶體鍍膜工藝和極低溫腔體集成方面，尚未見(jiàn)公開報(bào)道達(dá)到同等指標(biāo)。這意味著我們?cè)诤诵牟牧显搭^上仍受制于人，產(chǎn)業(yè)鏈自主化亟待突破。

這項(xiàng)技術(shù)的漣漪效應(yīng)將遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)室范疇。超穩(wěn)激光是光學(xué)鐘的"心臟"，而光學(xué)鐘是未來(lái)重新定義"秒"的物理基礎(chǔ)。當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)搭載此類時(shí)鐘，定位精度將從米級(jí)躍升至厘米級(jí)，自動(dòng)駕駛和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)將因此受益。

科學(xué)進(jìn)步往往藏在材料細(xì)節(jié)之中。當(dāng)鏡面從混亂的非晶態(tài)轉(zhuǎn)向有序的晶體結(jié)構(gòu)，人類測(cè)量時(shí)間的能力又向前跨越了一大步。這場(chǎng)靜悄悄的革命，正在重新定義我們對(duì)時(shí)空的感知精度。