原子鐘
| 原子鐘 | |
|---|---|
 NIST物理學家Steve Jefferts（前景）和Tom Heavner和Nist-F2銫噴泉原子鐘，這是美國的平民時間標準
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| 分類 | 鐘 |
| 行業 | 電信，科學 |
| 應用 | 太極，衛星導航 |
| 燃料來源 | 電 |
| 動力 | 是的 |
原子鐘是通過監視原子的諧振頻率來測量時間的時鐘。它基於具有不同能級的原子。原子中的電子狀態與不同的能級有關，在這種狀態之間的過渡中，它們與非常特異的電磁輻射頻率相互作用。這種現像是國際單位體系的基礎（SI）的定義：
第二個符號是SI的時間單位。它是通過佔剖宮產頻率的固定數值來定義的，
，Caesium-133原子的不受干擾的地面超精細過渡頻率為9 192 631 770在單位Hz中表達時，等於S -1 。
該定義是國際原子時代（TAI）體系的基礎，該系統由世界各地的原子鐘合奏所維護。是協調的通用時間（UTC）的系統，它是民用時間的基礎，實現了leap秒的速度，以使時鐘時間在一秒鐘內跟踪地球旋轉的變化，同時基於基於第二個定義的時鐘。
衛星網絡（例如歐盟的伽利略計劃和美國的GPS）也將原子鐘的準確計時功能用於導航。相關原子時鐘的計時精度很重要，因為時間測量的誤差越小，通過將時間乘以光速而獲得的距離誤差越小（納米秒或十億個秒的時間誤差為一秒（ 10 -9或 1 ⁄ 1,000,000秒）轉化為幾乎30厘米（11.8英寸）的距離，因此位置誤差）。
原子鐘的主要種類使用冷卻至絕對零的溫度的剖腹原子。美國國家標準技術研究所（NIST）的宮頸噴泉時鐘名為NIST-F2的主要標準，以3億年內的不確定性為1秒（相對不確定性）的時間（相對不確定性） 10 -16 ）。 NIST-F2於2014年4月3日在線。
歷史
蘇格蘭物理學家詹姆斯文員麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提議在他的1873年電力和磁性論文中測量光波振動的時間：'可以通過攝取特定的光長度振動的定期振動來找到一個更普遍的時間單位。是長度的單位。麥克斯韋認為，這將比地球旋轉更準確，地球的旋轉定義了平均太陽能進行計時。
在1930年代，美國物理學家Isidor Isaac Rabi建造了用於原子光束磁共振頻率時鐘的設備。
機械，機電和石英時鐘的準確性通過溫度波動降低。正如詹姆斯·克萊克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell），凱爾文勳爵（Lord Kelvin ）和Isidor Rabi提出的那樣，這導致了測量原子振動頻率以保持時間更準確的想法。他在1945年提出了這個概念，該概念導致了1949年基於氨基的時鐘。這導致了第一個實用的準確原子鐘，1955年，路易斯·埃森（Louis Essen）由路易斯·埃森（Louis Essen ）在英國國家實驗室建造。與傑克·帕里（Jack Parry）合作。
1949年，卡斯特勒（Kastler）和布羅塞爾（Brossel）開發了一種技術，可在原子中以光學泵送的光進行能級過渡。該技術可用於創建更強的磁共振和微波吸收信號。不幸的是，這引起了諧音頻率的副作用。 Cohen-Tannoudji和其他人設法將光轉移降低到可接受的水平。
拉姆齊（Ramsey）開發了一種方法，如今通常稱為拉姆西干涉法，用於較高的頻率和較窄的振盪場共振。科爾斯基，菲普斯，拉姆西和西爾斯比在1950年將這種技術用於分子束光譜。
1956年後，許多小組研究了原子鐘，例如美國國家標準技術研究所（以前是美國國家標準局），德國的Physikalisch-Technischnischnische-Technische Bundesanstalt （PTB），國家研究委員會（NRC）在加拿大，英國國家實驗室，國際時代局（法語：國際局德拉赫爾，縮寫為BIH）系統。
在1950年代，國家廣播公司售出了第一個原子鐘原子原子的50個以上。 1964年，惠普·帕卡德（Hewlett-Packard）的工程師發布了5060架架子座鐘的模型。
第二個定義
1968年，第二個持續時間被定義為9 192 631 770腹部133原子的未擾動地面高素質過渡頻率的振動。在此之前，它是由存在的定義31 556 925 .9747秒在1900年的熱帶年度。1968年的定義在2019年進行了更新，以反映Ampere ， Kelvin ， Kilogr和Mole的新定義，並在2019年對國際單位體系的重新定義進行了決定。計時研究人員目前正在努力為第二次開發更穩定的原子參考，併計劃在2030年左右根據光學時鐘或rydberg常數進行更精確的定義。
計量進步和光學時鐘
在1990年代，激光器和光學頻率梳子等技術發展導致原子鐘的準確性提高。激光使對原子狀態過渡的光學控制可能性遠高，該頻率遠高於微波。雖然光頻率梳子在光線下高度準確地測量了這種高頻振盪。
超出剖腹時鐘精度的第一個進步發生在2010年的NIST，展示了使用鋁離子來達到精確度的“量子邏輯”光學時鐘10 -17 。當科學家致力於根據Ytterbium ， Mercury ， Aluminum和Strontium開發時鐘，光學時鐘是計量學領域非常活躍的研究領域。吉拉（Jila）的科學家以頻率精度展示了鍶時鐘10 -18在2015年。NIST的科學家開發了一個量子邏輯時鐘，該時鐘在2019年測量了單個鋁離子，其頻率不確定性為10 -19 。在2021年9月的吉拉（Jila），科學家們展示了一個光學時鐘，其頻率差分精度為7.6 × 10 -21 。當光學時鐘的磁場成熟時，在2026年或2030年的某個時候成熟時，將重新定義第二個。為了實現這一目標，光鐘必須能夠始終如一地測量時間達到很高的精度。此外，必須證明在國家計量學實驗室中可靠，準確比較世界各地的不同光學時鐘的方法。
芯片尺度原子鐘
除了提高精度外，芯片尺度原子鐘的發展還可以擴大原子鐘的位置。 2004年8月， NIST科學家展示了一個碎屑原子鐘，比普通原子鍾小100倍，並且功耗要小得多。 125 MW 。原子鐘大約是大米的大小，頻率約為9 GHz。這項技術於2011年在商業上獲得。一個芯片規模的原子鐘需要少於30毫瓦的功率。
國家標準技術研究所在芯片上創建了一個計劃NIST，以開發緊湊的方法來測量時間僅幾毫米的設備。
當前是（2022年）設計的原子鐘，這些原子時鐘可以實現新的開發項目，例如離子陷阱和光學梳子，以達到更高的精度。
原子鐘如何工作
時間標準
原子時鐘基於一種原子系統，該原子可能位於兩個可能的能量狀態之一中。製備了一組原子，然後進行微波輻射。如果輻射的頻率正確，則許多原子將過渡到其他能量狀態。頻率越接近原子的固有振盪頻率，原子將切換狀態越多。這種相關性可以非常準確地調整微波輻射的頻率。一旦將微波輻射調整為已知頻率，在該頻率中，原子的最大數量開關狀態，原子及其相關的過渡頻率就可以用作計時振盪器來測量經過的時間。
許多國家計量實驗室維持原子鐘：包括巴黎天文台，德國的Physikalisch-Technische Bundesanstalt （PTB），位於德國的Physikalisch-Technische Bundesanstalt（PTB），美國國家標準技術研究所（NIST），位於科羅拉多州和馬里蘭州，美國馬里蘭州，科羅拉多大學的吉拉，科羅拉多博爾德大學英國的國家物理實驗室（NPL）以及全俄的物理工程與放射性技術學院。他們通過設計和構建頻率標準標準來實現這一目標，該標準以與剖宮產133的過渡頻率的關係產生電振盪，以達到非常低的不確定性。這些主要頻率標準標準估計並糾正各種頻移，包括與原子運動相關的相對論多普勒移位，環境的熱輻射（黑體移動）和其他幾個因素。目前，最好的主要標準以準確性接近一部分的不確定性10 16 。
重要的是要注意，在這種準確性上，設備中重力場的差異不容忽視。然後，在一般相對論的框架內考慮標準，以在特定點提供適當的時間。
國際重量和措施局（BIPM）提供了作為第二次次要表示的頻率列表。此列表包含Rubidium微波過渡和其他光學轉變的頻率值和各自的標準不確定性，包括中性原子和單個捕獲離子。這些次要頻率標準可以像10 18 ;但是，列表中的不確定性是10 14 - 10 16 。這是因為對次級標準進行校準的中央剖宮產標準的不確定性是10 14 - 10 16 。
一級頻率標準可用於校準國家實驗室中使用的其他時鐘的頻率。這些通常是具有非常良好的長期頻率穩定性的商業銫時鐘，保持穩定性優於1部分的頻率10 14在幾個月內。主要標準頻率的不確定性約為10 13 。
依賴於原子氫中1.4 GHz超精細過渡的氫酶也用於時間計量學實驗室。在短期頻率穩定性方面，MASERS的表現優於任何商業剖腹產。過去，這些儀器已用於所有需要在少於一天的時間段內穩定參考的應用中（頻率穩定性在10中約1份，平均時間為幾個小時）。由於某些活躍的氫酶隨著時間的流逝而有一個適度但可預測的頻率漂移，因此它們已成為BIPM實施國際原子時間的商業時鐘合奏的重要組成部分。
與衛星同步
需要非常準確地知道，在計量實驗室中運行的時鐘的時間讀數需要非常準確。一些操作需要在數千公里以上的距離隔開的原子鐘進行同步。全球導航衛星系統（GNSS）為時間傳輸問題提供了令人滿意的解決方案。原子鐘用於在美國全球定位系統（GPS） ，俄羅斯聯合會的全球導航衛星系統（GLONASS） ，歐盟的伽利略系統和中國的Beidou System中廣播時間信號。
從一個具有準確已知位置的接收器的計量實驗室中，從一個衛星接收到的信號可以使局部時間尺度和GNSS系統時間之間的時間差在15分鐘內平均幾納米秒的不確定性確定。接收器允許同時接收來自幾個衛星的信號，並利用在兩個頻率上傳輸的信號。隨著更多衛星的啟動並開始操作，時間測量將變得更加準確。
這些時間比較的方法必須對一些納秒的特殊相對論和一般相對性的影響進行校正。
國際計時
國家實驗室通常運行一系列時鐘。這些是獨立於彼此的，它們的測量值有時會結合起來，以產生比任何貢獻時鐘更穩定和更準確的量表。該量表可以在實驗室中的不同時鐘之間進行時間比較。這些原子時間尺度通常稱為實驗室k的TA（k）。
協調的通用時間（UTC）是將全球國家實驗室的時鐘與國際原子時間（TAI）進行比較，然後根據需要添加LEAP秒。在大約80個時間機構中，TAI的加權平均值約為450個時鐘。泰的相對穩定性約為10 16 。
在發表TAI之前，將結果的頻率與SI在各種初級和次要頻率標準處進行比較。這需要將相對論校正應用於主要標準的位置，該標準取決於相等的重力電位與地球旋轉的旋轉地面之間的距離。每個月旋轉的旋轉旋轉和太極拳的值略有變化，並且在BIPM圓形t出版物中可用。隨著世界各地的原子鐘的平均值，TAI時間尺度的縮放被推遲了幾週。
Tai並未在日常計時上分發。取而代之的是，添加或減去整數的LEAP秒數，以校正地球旋轉，從而產生UTC。更改了LEAP秒的數量，因此Greenwich子午線的平均太陽中午不會偏離UTC中午的時間超過0.9秒。
國家計量機構保持了UTC的近似值，稱為實驗室k的UTC（k）。 UTC（K）由BIPM的時間和頻率諮詢委員會分發。每5天計算一次偏移UTC-UTC（K），結果每月發布。原子鐘記錄UTC（K）的納秒不超過100納秒。在某些國家 /地區，UTC（K）是廣播，電視，電話，互聯網，光纖電纜，時間信號發射器和演講時鐘的法定時間。此外，GNSS為幾十納秒或更高的時間提供準確的時間信息。
類型
銫
Si第二定義為一定數量的凱西姆-133原子的不受干擾的地面超精細轉變。因此，剖宮產標準被視為主要時間和頻率標準。
Cesium時鐘包括1999年開發的NIST-F1時鐘，以及2013年開發的NIST-F2時鐘。
Cesium具有多種特性，使其成為原子鐘的不錯選擇。氫原子在室溫下以1,600 m/s的速度移動，氮原子以510 m/s的速度移動，而由於其較大的質量，剖宮產的速度為130 m/s。剖宮產的超細頻率（〜9.19 GHz）也高於其他元素，例如Rubidium（〜6.8 GHz）和氫（〜1.4 GHz）。高頻的高頻可以進行更準確的測量。適合國家標準的剖腹產管持續約七年，費用約為35,000美元。像美國時間標準原子鐘，NIST-F1和NIST-F2這樣的初級頻率和時間標準使用更高的功率。
框圖
在剖腹頻率參考中，定時信號源自高穩定性電壓控制的石英晶體振盪器（VCXO），該石英晶體振盪器（VCXO）可在狹窄範圍內進行調諧。 VCXO的輸出頻率（通常為5 MHz）乘以頻率合成器，以在剖宮產原子高素質過渡頻率（大約9 192 .6317 MHz ）。放大頻率合成器的輸出，並將其應用於含有微波的剖宮產的腔室。隨著吸收的增加，剖腹室的輸出電流增加。
電路的其餘部分只需調整VCXO的運行頻率即可最大化剖腹室的輸出電流，從而使振盪器保持調諧到超細過渡的共振頻率。
銣
BIPM定義了Rubidium-87 Atom的未擾動的地面超精細過渡頻率，6 834 682 610.904 312 6 Hz，就剖宮產標準頻率而言。因此，基於rubidium標準的原子鐘被視為第二個的次要表示。
rubidium標準時鐘以其低成本，尺寸較小（商業標準與一樣小， 1.7 × 10 5 mm 3 ）和短期穩定性。它們用於許多商業，便攜式和航空航天應用。現代rubidium標準管持續了十多年，價格只能花費50美元。一些商業應用使用由全球定位系統接收器定期糾正的rubidium標準（請參閱GPS紀律振盪器）。這實現了出色的短期準確性，長期準確性等於（可追溯）美國國家時間標準。
氫
BIPM根據剖腹產頻率定義了氫-1中性原子的未擾動的光學轉變頻率，1 233 030 706 593 514 Hz。因此，基於氫標準的原子鐘被視為第二個的次要表示。
與其他標準相比，氫酶具有較高的短期穩定性，但長期準確性較低。由於腔體標準的長期穩定性隨著時間的流逝而降低。 1000秒的周期為5×10 -16的相對誤差為5×10 -16 。這使氫使得對射電天文學有益，尤其是在很長的基線乾涉法中。在激光冷卻的原子頻率標準標準和來自國家標準實驗室的廣播時間信號中，氫mas以用於飛輪振盪器，儘管隨著時間的流逝，它們需要從正確的頻率中漂移。氫maser也可用於實驗測試特殊相對論和一般相對性（例如重力紅移）的影響。
鍶
存在幾種類型的鍶原子鐘，包括光鐘。
時間測量機制
國際單位系統定義
自1968年以來，SI將第二個定義為9 192 631 770輻射循環，對應於凱森133原子的兩個能級之間的過渡。 1997年，國際權重措施委員會（CIPM）補充說，前面的定義是指在絕對零的溫度下靜止的剖宮產。
該定義使銫振盪器成為時間和頻率測量值的主要標準，稱為銫標準。在2019年重新定義SI基礎單元之後，除摩爾和幾乎每個派生單元外，每個基本單元的定義都取決於第二個單位的定義。
調整和優化
傳統射頻原子鐘的核心是一個可調的微波腔，其中包含氣體。在氫mas時鐘中，氣體在超精細轉變，腔體振蕩的場上排放微波（氣體MESE ），並調節腔體以最大的微波振幅調節。另外，在剖腹時鐘或rubidium時鐘，梁或氣體吸收微波，腔含有電子放大器，使其振盪。對於兩種類型，氣體中的原子在將其填充到腔中之前以一種超細狀態製備。對於第二種類型，檢測到更改超細狀態的原子數，並調諧腔，以最大檢測到的狀態變化。
時鐘的大部分複雜性在於此調整過程。調整試圖糾正不需要的副作用，例如其他電子過渡的頻率，溫度變化以及由包括多普勒拓寬在內的分子振動引起的頻率傳播。一種方法是將微波振盪器的頻率掃描狹窄範圍內，以在檢測器上生成調製信號。然後可以將檢測器的信號解調以應用反饋以控制射頻中的長期漂移。這樣，除少量的實驗誤差外，剖宮產原子過渡頻率的量子力學特性可用於將微波振盪器調整為相同的頻率。首次打開時鐘時，振盪器需要一段時間才能穩定。實際上，反饋和監視機制要復雜得多。
許多較新的時鐘，包括微波時鐘，例如被困的離子或噴泉時鐘，以及諸如晶格時鐘之類的光學時鐘使用順序詢問協議，而不是上述頻率調製詢問。順序審訊的一個優點是，它可以容納更高的Q，而響鈴時間為幾秒鐘而不是毫秒。這些時鐘通常也有死時間，在此期間，原子或離子收集被分析，更新並驅動到適當的量子狀態，然後它們在當地振盪器（LO）的信號中受到詢問，大概一秒鐘或者。然後，使用原子的最終狀態分析來生成校正信號，以使LO頻率鎖定到原子或離子的頻率。
時鐘機制
所有的計時設備都使用振盪現象來準確測量時間，無論是地球的旋轉，祖父時鐘中擺動的搖擺，手錶中的彈簧和齒輪的振動，還是電壓變化手錶。但是，所有這些都很容易受到溫度變化的影響，並且不是很準確。最準確的時鐘使用原子振動來跟踪時間。原子中的時鐘過渡狀態對溫度和其他環境因素不敏感，振盪頻率遠高於其他任何時鐘（以微波頻率制度和更高）。時鐘性能中最重要的因素之一是原子線質量因子Q，該因子定義為共振的絕對頻率與共振本身的線寬的比率。原子共振的Q遠高於機械設備。原子鐘也可以從環境效應中分離出更高的程度。原子鐘具有原子是通用的好處，這意味著振盪頻率也是通用的。這與沒有通用頻率的石英和機械時間測量設備不同。
時鐘的質量可以通過兩個參數來指定：準確性和穩定性。精度是對時鐘的滴答速率的度量測量，以符合某些絕對標準，例如隔離原子或離子的固有的超細頻率。穩定性描述了時鐘隨著時間的流逝而平均以減少噪聲和其他短期波動的影響（請參閱精度）。
原子鐘的不穩定性由其艾倫偏差指定
發現現代時鐘（例如原子噴泉或使用順序審問的光學晶格）可以生成模擬的噪聲類型，並增加了原子或離子計數中固有的不穩定性。這種效果稱為雞巴效應，通常是較新的原子鐘的主要穩定性限制。這是一種混溶作用；局部振盪器（“ LO”）中的高頻噪聲組件通過反饋對LO頻率的反饋敏感性的重複變化的諧波將其異形至接近零。這種效果對LO提出了新的和嚴格的要求，LO除了高穩定性外還必須具有低相位噪聲，從而增加了系統的成本和復雜性。對於具有閃爍頻率噪聲的LO 
準確性
自1950年代第一個原型以來，原子鐘的準確性不斷提高。第一代原子鐘是基於測量剖腹產，rub和氫原子的。在1959年至1998年的一個時期內， NIST開發了七個CAESIUM-133微波鐘，該時鐘名為NBS-1至NBS-6和NIST-7，此前該機構將其名稱從國家標準局更名為國家標準研究所和技術。第一個時鐘的精度10 -11 ，最後一個時鐘的精度10 -15 。時鐘是第一個使用蒜泥噴泉，該噴泉是由杰羅德·扎卡里亞斯（Jerrod Zacharias）引入的，以及原子的激光冷卻，這是戴夫·威蘭德（Dave Wineland）和他的同事在1978年證明的。
原子鐘進步的下一步涉及10 -15至準確性10 -18 ，甚至10 -19 。目的是在時鐘變得如此準確時重新定義第二個，以至於它們不會在宇宙時代損失或增益超過一秒鐘。為此，科學家必須證明使用斜角和YTTERBIUM和光學晶格技術的時鐘的準確性。這樣的時鐘也稱為光學時鐘，其中所使用的能級過渡在光學狀態（引起更高的振盪頻率），因此與傳統的原子時鐘相比，其準確性更高。
原子鐘的目標10 -16的精度首先在英國國家實驗室的NPL-CSF2 Cesium Fountain Clock和美國的NIST-F2達到。從NIST-F1到NIST-F2的精度增加是由於原子液體氮冷卻技術的進步所致。
評估了促成國際原子時間（TAI）的主要和次要頻率標準的性能。國際重量與措施局（BIPM）在線發布了個人（主要是主要）時鐘的評估報告。
研究
大多數研究都集中在使時鐘往往相互矛盾的目標上，即使時鐘更小，更便宜，更便宜，更節能，更準確，更穩定且更可靠。空間（caces）中的冷原子時鐘實驗測試微重力條件下的地球軌道中的冷原子時鐘和空間中的原子時鐘集合是時鐘研究的示例。
第二個的次要表示
自2006年以來，國際重量與措施局（BIPM）保留了推薦用於第二次輔助表示的頻率清單。該列表包含rubidium微波過渡的頻率值和相應的標準不確定性以及多個光學轉換。這些次要頻率標准在10的水平上是準確的-18 ;但是，列表中提供的不確定性在10範圍內-14 - 10 -15由於它們受到目前（2018年）定義第二個標準的鏈接的限制。
| 類型 | 工作頻率（ Hz ） | 相對艾倫偏差 （典型時鐘） |
參考 |
|---|---|---|---|
| 133 cs | 9.192 631 770 × 10 9根據定義 | 10−13 | |
| 87 RB | 6.834682610904324×109 | 10−12 | |
| 1小時 | 1.4204057517667×109 | 10−15 | |
| 光學時鐘（ 87 SR ） | 4.292280042298734×1014 | 10−17 | |
| 光學時鐘（ 27 al + ） | 1.12101539320785916×1015 | 10−18 | |
| 光學時鐘（ 171 YB + ，642 THZ） | 6.4212149677264512×1014 | 10−18 | |
| 光學時鐘（ 171 YB + ，688 THz） | 6.8835897930930824×1014 | 10−16 |
二十一世紀提供了第二個基於非岩體的次級表示的實驗原子鐘變得如此精確，以至於除了測量頻率和時間之外，還可能將它們用作其他事物的極敏感探測器。例如，因重力，磁場，電場，力，運動，溫度和其他現象會稍微改變原子鐘的頻率。實驗時鐘往往會繼續改善，並且在各種類型的實驗鐘之間來回移動。
量子時鐘
2008年3月，NIST的物理學家描述了基於鈹和鋁離子的單個離子的量子邏輯時鐘。該時鐘與Nist的汞離子時鐘進行了比較。這些是構造的最準確的時鐘，在十億年內，時鐘都不會獲得，也沒有以超過一秒鐘的速度損失時間。 2010年2月，NIST物理學家根據鎂和鋁的個別離子描述了量子邏輯時鐘的第二個增強版本。被認為是2010年世界上最精確的時鐘，其頻率不准確8.6 × 10 -18 ，它的精度是原件的兩倍以上。 2019年7月，NIST科學家展示了這樣的Al +量子邏輯時鐘，完全不確定性9.4 × 10 -19 ，這是這種不確定性低於10的時鐘的首次演示-18 。
此後，實驗量子鐘的準確性已被基於鍶87和Ytterbium-171的實驗光學晶格時鐘取代。
核（光學）時鐘概念
提高原子鐘性能的一種理論可能性是使用核能過渡（在不同的核異構體之間），而不是當前原子鐘測量的原子電子過渡。大多數核轉變的運行頻率太高而無法測量，但是在2003年，Ekkehard Peik和Christian Tamm指出，異常低的激發能量為229m
這是當前頻率測量技術的範圍，使時鐘成為可能。 2012年，結果表明，基於單個229的核時鐘
該離子可能會提供總體頻率不准確的1.5 × 10 -19 ，比現有的2019年原子鐘技術要好。儘管它仍然是一個未實現的理論可能性，但截至2019年，已經取得了實驗核鐘的發展。
核能過渡提供了以下潛在優勢：
- 較高的頻率。所有其他方面都是平等的，出於簡單的統計原因，高頻過渡提供了更大的穩定性（在更多的周期中平均波動）。
- 對環境影響不敏感。由於其尺寸很小和周圍電子的屏蔽效果，原子核對環境電磁場的敏感程度不如軌道中的電子。
- 更多的原子。由於上述對環境場的不敏感性，因此沒有必要在稀釋的氣體中及時分離原子。實際上，有可能利用莫斯鮑爾效應並將原子置於固體中，這將使數十億個原子受到質疑。
時鐘比較技術
2015年6月，英國特丁頓的國家物理實驗室（NPL）；法國時間空間參考系統在巴黎天文台（LNE-SYRTE）； Braunschweig的德國國家計量學院（PTB） ；在都靈實驗室中的意大利伊斯蒂托爾·納齊奧萊（Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica（INRIM））已經開始測試，以提高當前最新衛星比較的準確性10倍，但仍將僅限於1的一部分。這四個歐洲實驗室正在開發和託管各種實驗性光學時鐘，這些時鐘可以利用不同的實驗設置中的不同元素，並希望將其光學時鐘相互作用並檢查它們是否同意。在下一個階段，這些實驗室努力通過光纖電纜在可見光譜中傳輸比較信號。這將使他們的實驗光鐘與與光學時鐘本身的預期精度相似的精度進行比較。這些實驗室中的一些已經建立了纖維 - 光線鏈接，並且已經開始在巴黎和特丁頓之間的各個部分，以及巴黎和Braunschweig。實驗光鐘之間的纖維 - 光學連接也存在於美國NIST實驗室與其合作夥伴實驗室Jila之間，都在科羅拉多州的博爾德，但這些距離比歐洲網絡短得多，並且僅在兩個實驗室之間。 PTB的物理學家Fritz Riehle表示，“歐洲處於獨特的位置，因為它擁有世界上最佳時鐘的高密度”。 2016年8月，巴黎的法國LNE-Syrte和Braunschweig的德國PTB報告了巴黎的兩個完全獨立的實驗性跨質晶格光學時鐘和Braunschweig的比較和一致。 5 × 10 -17通過新建立的相位相位頻率鏈路連接巴黎和Braunschweig，使用1,415 km （879 mi ）的電信纖維光纖電纜。評估了整個鏈接的分數不確定性為2.5 × 10 -19 ，使更準確時鐘的比較成為可能。在2021年，NIST比較了來自NIST實驗室，其合作夥伴實驗室Jila和科羅拉多大學的一系列實驗原子時鐘的傳輸精確8 × 10 -18 。
光學時鐘
1960年代，俄羅斯物理學家Vladilen Letokhov提出了使用激光捕獲原子在光學晶格中的想法。從微波作為原子“逃生”的理論移動，以使時鐘到光學範圍（難以測量但提供更好的性能）點亮約翰·L·霍爾（John L. Hall）和西奧多·霍爾（Theodor W.諾貝爾主義者戴維·J·溫德蘭（David J. Wineland ）是利用陷阱中單個離子的特性來發展最高穩定時鐘的先驅。第一個光鐘的開發於2000年在NIST開始，並於2006年完成。
飛秒頻率梳的發展，光學晶格導致了新一代的原子鐘。這些時鐘基於發出可見光而不是微波的原子過渡。開發光學時鐘的主要障礙是直接測量光頻率的困難。通過自我引用的模式鎖定激光的發展解決了這個問題，通常稱為飛秒頻率梳子。在2000年的頻率梳子演示之前，需要Terahertz技術來彌合無線電和光學頻率之間的差距，並且這樣做的系統繁瑣且複雜。隨著頻率梳子的改進，這些測量結果變得更加易於訪問，並且現在在世界範圍內開發了許多光學時鐘系統。
與無線電範圍一樣，吸收光譜用於穩定振盪器 - 在這種情況下是激光。當使用飛秒梳子將光頻劃分為可數的射頻時，相位噪聲的帶寬也將其除以該因素。儘管激光相噪聲的帶寬通常大於穩定的微波源，但在劃分之後，它較小。
在光頻率標準中使用的主要係統是：
- 在離子陷阱中分離的單離子；
- 中性原子被困在光學晶格中，
- 原子包裝在三維量子氣體光學晶格中。
這些技術使原子或離子可以與外部擾動高度隔離，從而產生極其穩定的頻率參考。激光和磁光陷阱用於冷卻原子，以提高精度。
正在考慮的原子系統包括Al + ， Hg +/2 + ， Hg ， Sr ， Sr +/2 + ， in +/3 + ， Mg ， Ca ， Ca + ， Yb +/2 +/3 + ， Yb和Th + /3+ 。時鐘電磁輻射的顏色取決於刺激的元素。例如，產生紅光時鈣光學時鐘會引起共鳴，並且在紫羅蘭光存在下ytterbium時鐘會產生共鳴。
稀土元素ytterbium（YB）的重視並不是其機械性能，而是其內部能級的補充。瑪麗安娜·薩弗羅諾娃（Marianna Safronova）說：“在578 nm的波長中，YB原子中的特定過渡目前提供了世界上最準確的光原子頻率標準之一。”根據聯合量子研究所（JQI）和特拉華大學（University of Telaware ）的說法，2012年12月的科學家稱，到目前為止，達成的估計不確定性在迄今為止的150億年內對應於150億年。
在2013年，光學晶格時鐘（OLCS）被證明比剖腹產時鐘一樣好或更好。兩個光學晶格時鐘包含10 000個鍶87原子能夠至少精確地保持同步1.5 × 10 -16 ，這與實驗可以測量一樣準確。這些時鐘已被證明可以與巴黎天文台的所有三個剖腹產時鐘保持同步。有兩個理由的原因有兩個。首先，使用光的頻率測量頻率，該光的頻率比微波爐高得多，其次，使用許多原子，將任何錯誤平均。使用ytterbium-171原子，穩定的新記錄，精確2013年8月22日，在7小時的時間內出版了1.6 × 10 -18。在這種穩定性下， NIST研究團隊彼此獨立使用的兩個光學晶格時鐘會在宇宙年齡段不到一秒鐘。 （（ 13.8 × 10 9年）;這比以前的實驗好10倍。時鐘依賴於冷卻至10 microkelvin並將其捕獲在光學晶格中的10 000 ytterbium原子。 578 nm的激光激發了其兩個能級之間的原子。研究人員確定了時鐘的穩定性後，正在研究外部影響並評估其餘的系統不確定性，希望他們能使時鐘的準確性降低到其穩定性水平。 2014年自然紙中描述了改進的光學晶格時鐘。 2015年，吉拉（Jila）評估了在2.1 × 10 -18 ，對應於可測量的引力時間擴張，以使地球上的高度變化為2 cm（0.79英寸），根據Jila/nist nist同伴，“對相對論地理地理學非常有用”。在這種頻率不確定性下，這種JILA光學晶格時鐘預計不會在超過150億年內損失。
2017年，吉拉（Jila）報導了一個實驗性的3D量子氣體跨晶格時鐘，其中鍶87原子以比以前一維（1-d）時鐘密度的1，000倍的1 000倍（1000倍）包裝成一個微小的三維（3-D）立方體。例如2015年的吉拉時鐘。 3D晶格的兩個區域之間的同步時鐘比較產生了創紀錄的同步水平在平均時間的1小時內5 × 10 -19 。 3D量子氣體遞質時鐘的核心是一種不尋常的物質狀態，稱為退化的費米氣體（費米顆粒的量子氣）。實驗數據顯示3D量子氣時鐘達到了3.5 × 10 -19在大約兩個小時內。根據Jun Ye的說法，“這對任何以前的示威都有顯著改善。”你們進一步評論說：“ 3D量子氣時鐘的最重要潛力是能夠擴大原子數的能力，這將導致穩定性的巨大增長。”並且“擴大原子數和連貫性時間的能力將使這一新的時鐘在質量上與上一代不同。” 2018年，吉拉（Jila）報導了3D量子氣時鐘達到了頻率精度2.5 × 10 -19在6小時內。在這種頻率不確定性下，在宇宙年齡，這個3D量子氣時鐘將損失或增加約0.1秒。最近，已經證明，量子糾纏可以幫助進一步增強時鐘穩定性。在2020年，研究了用於空間應用的光鐘，例如後代的全球導航衛星系統（GNSSS）作為基於微波爐的時鐘的替代。
2022年2月，威斯康星大學麥迪遜分校的科學家報導了一個“多重”的光原子時鐘，在該時鐘中，單個時鐘相互偏離，準確性等於在3000億年內失去第二個。報導的小偏差是可以解釋的，因為相關的時鍾振盪器處於略有不同的環境中。這些引起對重力，磁場或其他條件的不同反應。這種微型時鐘網絡方法是新穎的，因為它使用了跨原子的光學晶格和六個時鐘的配置，可用於證明相對穩定性，時鐘和方法之間的分數不確定性，以進行超高精度比較，以進行超高精度比較。位於計量設施中的靠近。
目前（2022年）仍主要是研究項目，比rubidium和cesium微波標準不太成熟，這些標准定期將時間帶到國際重量與措施局（BIPM）以建立國際原子時間（TAI） 。隨著光學實驗時鐘在精確性和穩定性性能方面超越了微波爐，這使它們能夠替代當前時間標準，即Cesium Fountain Clock。將來，這可能會導致重新定義基於Cesium Microwave的SI第二，而將需要以最高級別傳輸時鐘信號的最高準確性的其他新傳播技術，可以在較短範圍和遠距離（頻率）中使用，以便使用該技術。比較更好的時鐘與探索其基本限制，而不會顯著損害其性能。 BIPM在2021年12月報告的基於對TAI的光學標準的進度（CCTF）促成TAI的進度，開始了工作，以重新定義2030年代預期的第二次預期。
2022年7月，基於碘分子基於碘分子的原子光鐘在海軍船上進行了海洋水平，並在RIMPAC 20222中連續在太平洋中連續運行20天。這些技術最初由美國國防部資助。 2023年11月，世界上第一個商業機架光學時鐘。
芯片尺度原子鐘
基於9.19 GHz的剖腹頻率的最精確的剖腹時鐘的精度在10 -15 –10 -16之間。不幸的是，它們很大，只有在大型計量實驗室中可用，對於可以使用原子鐘的工廠或工業環境而言，這對於GPS的準確性而言，但無法為一個原子鍾建造整個計量實驗室。研究人員設計了一個鍶光鐘，可以在空調的汽車拖車中四處移動。
重新定義第二個
在2022年，第二個最佳實現是通過儀式初級標準時鐘完成的，例如IT-CSF2，NIST-F2，NPL-CSF2，PTB-CSF2，SU – CSFO2或SYRTE-FO2。這些時鐘是通過激光冷卻磁體原子云到磁陷阱中的微核素的作用。然後，這些冷原子通過激光垂直發射。然後，原子在微波腔中進行拉姆西激發。然後，激光束檢測到激發原子的比例。這些時鐘有5 × 10 -16系統的不確定性，相當於每天50個皮秒。全世界幾個噴泉的系統有助於國際原子時間。這些儀式時鐘還基於光學頻率測量。
光鐘的優勢可以通過不穩定性的說明來解釋
光學時鐘基於離子或原子中禁止的光學轉變。他們周圍有頻率10 15 Hz ，具有自然線寬
Rydberg常數
基於Rydberg常數的定義將涉及將值固定為某個值： 
固定Rydberg常數的唯一可行方法涉及捕獲和冷卻氫。不幸的是，這很困難，因為它很輕，原子移動非常快，導致多普勒的變化。冷卻氫所需的輻射 - 121.5 nm - 也很困難。另一個障礙涉及改善量子電動力學/QED計算的不確定性。
在單位諮詢委員會第25屆會議的報告中（2021），考慮了3個選擇，以重新定義第二次，左右在2026年，2030年或2034年。過渡。考慮的第二種重新定義方法是基於頻率集合的定義。考慮的第三個重新定義方法是基於固定基本常數的數值的定義，例如使rydberg成為定義的基礎。該委員會得出結論，沒有可行的方法可以通過第三個選擇重新定義第二個選擇，因為目前沒有足夠的數字可以知道物理常數以使第二個以常數實現。
要求
重新定義必須包括提高光學時鐘的可靠性。在BIPM確認重新定義之前，必須由光學時鐘貢獻TAI。在重新定義第二個信號之前，必須開發出一種一致的發送信號的方法，例如光纖啟示。
申請
原子鐘的發展導致許多科學和技術進步，例如精確的全球和區域導航衛星系統，以及在互聯網中的應用，這些應用依賴於頻率和時間標準。原子時鐘安裝在時間信號無線電發射器位置。它們在某些長波和中波廣播電台都用於提供非常精確的載體頻率。原子鐘用於許多科學學科，例如射電天文學中的長基線干涉法。
美國太空力量操作的全球定位系統（GPS）提供了非常準確的時機和頻率信號。 GPS接收器通過測量至少四個但通常更多的GPS衛星的信號的相對時間延遲來工作，每個衛星至少有兩個板載剖宮室和多達兩個Rubidium原子鐘。相對時間在數學上轉化為三個絕對空間坐標和一個絕對時間坐標。 GPS時間（GPST）是連續的時間尺度，理論上準確至約14納秒。但是，大多數接收器在解釋信號時會失去準確性，僅準確至100納秒。 GPST與TAI（國際原子時間）和UTC（協調的通用時間）有關，但與眾不同。 GPST仍然與TAI（TAI - GPST = 19秒）保持不變，並且像Tai一樣不會實現Leap秒。對衛星的板載時鐘進行定期校正，以使其與地面時鐘同步。 GPS導航消息包括GPST和UTC之間的區別。截至2015年7月，GPST在2015年6月30日添加到UTC的情況下，比UTC領先17秒。接收器從GPS時間減去此偏移以計算UTC。
由俄羅斯航空航天國防軍運營的全球導航衛星系統（GLONASS）提供了全球定位系統（GPS）系統的替代方案，是第二個正在運行的導航系統，具有全球覆蓋範圍和可比的精度。 Glonass Time（GlonAsst）由Glonass Central Synchroniser產生，通常比1,000納秒更好。與GPS不同，Glonass Time量表像UTC一樣實現LEAP秒。
伽利略全球導航衛星系統由歐洲GNSS機構和歐洲航天局運營。伽利略（Galileo）於2016年12月15日開始提供全球早期運營能力（EOC），提供了第三和第一個非軍事操作的全球導航衛星系統。伽利略系統時間（GST）是一個連續的時間尺度，它是根據不同原子時鐘的平均值在意大利富西諾的伽利略控制中心在地面上生成的，並由伽利略中央段維持並與並同步並同步TAI的名義偏移量低於50納秒。根據歐洲GNSS機構的說法，伽利略提供了30納秒的時間準確性。歐洲GNSS服務中心的2018年3月季度績效報告報告說，UTC時間傳播服務精度≤7.6納秒，通過在過去的12個月內積累樣品計算，超過≤30ns目標。每個伽利略衛星都有兩個被動氫mas和兩個rubidium原子鐘，用於車載正時。伽利略導航消息包括GST，UTC和GPST之間的差異（以促進互操作性）。在2021年夏天，歐盟定居在一輛被動氫梅爾（Maser）上，用於第二代伽利略衛星，從2023年開始，預計每顆衛星的壽命為12年。 Masers的重量約為2英尺，重量為40磅。
Beidou-2/Beidou-3衛星導航系統由中國國家航天管理局運營。 Beidou Time（BDT）是一個連續的時間尺度，從2006年1月1日在0:00:00 UTC開始，並與100 ns之內的UTC同步。 Beidou於2011年12月在中國運營，使用了10顆衛星，並於2012年12月開始向亞太地區的客戶提供服務。2018年12月27日，Beidou Navigation Satellite System開始提供具有據報導時間安排準確性的全球服務20 ns。決賽，第35屆Beidou-3衛星全球覆蓋範圍於2020年6月23日發射到Orbit。
實驗空間時鐘
2015年4月，美國宇航局宣布，它計劃部署一個深空原子鐘（DSAC），這是一個微型，超專業的汞離子原子鐘，以將其部署到外太空中。 NASA表示，DSAC比其他導航時鐘要穩定得多。時鐘於2019年6月25日成功推出，於2019年8月23日激活，並於兩年後的2021年9月18日停用。
軍事用途
2022年， DARPA宣布開車升級到美國軍事計時系統，以提高傳感器無法使用GPS衛星的時間，併計劃達到1份的精確度。 10 12 。強大的光鐘網絡將在4年內開發的可用性和準確性平衡。
時間信號無線電發射器
無線電時鐘是通過無線電接收器收到的無線電時間信號自動同步自身的時鐘。一些製造商可以將無線電時鐘標記為原子鐘，因為他們收到的無線電信號源自原子鐘。依靠振幅調節時間信號的正常低成本消費級接收器的實際精度不確定性為±0.1秒。這對於許多消費者應用就足夠了。儀器等級的接收器提供了更高的準確性。無線電時鐘距離無線電發射器每300公里（186英里）的距離每300公里（186英里）的傳播延遲約為1 ms 。許多政府為計時目的操作發射機。
一般相對論
一般相對性預測，在重力場中時鐘較慢，並且這種引力紅移效應已得到充分記錄。原子鐘可以在較小的尺度上測試一般相對論有效。一個從1999年11月11日至2014年10月觀察十二個原子鐘的項目，進一步證明了愛因斯坦的一般相對論理論在小規模上是準確的。 2021年，吉拉（Jila）的一支科學家團隊測量了由於重力紅移而在兩層原子之間通過一毫米分離的原子之間的差異，該腹腔光學時鐘使用以100納米克素的形式冷卻至100納米克素7.6 × 10 -21秒。鑑於它的量子性質以及時間是相對論的數量，可以使用原子鐘來查看時間如何同時受到一般相對論和量子力學的影響。
金融系統
原子鐘將買賣雙方之間的交易準確記錄到毫秒或更高的情況下，尤其是在高頻交易中。除了確保全球另一端的交易者公平性外，還需要準確的計時來防止非法交易。當前稱為NTP的系統僅適用於毫秒。