一文了解原子钟的世界

我们手机中的超精准时钟意味着我们将始终知道我们在时间和空间中的位置

Fridtjof Nansen，1895年4月13日开始。六天前，挪威探险家创下了与北极最接近的新纪录，现在他正在不间断的海冰上快速移动到弗莱角（Cape Fligely）和家乡。可是后来却发现了一个令人作呕的事实：他急于拆除营地，忘记了把计时器上发条。他错过了精确的时间，因此也失去了找到他所在的经度的能力。

尽管Nansen不可能在几分钟之内失去了自己的位置，但却迫使他采取了一条迂回保守的路线，以免被卷入北大西洋。因此，他的远征不得不忍受一个饥饿的冬天，驻扎在一个不知名的海岸上。直到明年六月，他才遇到其他探险家，并在Franz Josef Land的Cape Felder获悉他的真实位置。

今天，任何拥有智能手机的人都可以轻松确定自己的时间和地点。全球定位系统（GPS）的卫星在全球范围内广播时钟信号，其中的不确定度低于100纳秒，或千万分之一秒。这些时间信号携带了精确导航所需的信息：由于无线电波每毫微秒正好以0.299,792,458米的速度传播（除了由于大气折射造成的微小变化），通过比较来自不同卫星的信号，可以确定在几米内的一个位置。这就是为什么GPS应用到地震监测器，无人机快递和许多其他应用。

但是GPS不能解决所有的时间问题。系统的核心是每个卫星上携带的原子钟。尽管这些时钟非常稳定（并且通过将其与国家标准实验室的地面原子钟进行比较来进行定期校准），但是在将定时信息传输给用户干扰，欺骗，无意的干扰，太阳风暴，甚至从建筑物的反射。但是如果我们可以通过缩小原子钟本身直接把这个精度放在用户手中，那么它可以在GPS接收器内工作呢？像Nansen那样，我们是否想和我们一起携带我们最好的钟表？

在研究中，现在公布在物理评论快报（Physical Review Letters），我们表明，这样的移动时钟是可能的。我们希望尽快做出来。

原子钟的核心是一个真空室，里面有一层薄薄的汽化金属，通常是铯。水汽中的原子以一个精确的频率共振，这意味着它们的电子将只接收来自恰好具有适量的光子的能量。如果这些光子的能量太少或太少，也就是说，如果它们的频率太高或太低，吸收就会显着下降。这是一个原子钟的主要特点。

这是如何工作的。电子振荡器产生的微波频率非常接近我们用于时钟的原子的能级。如果振荡器偏离正确的频率，则吸收改变，激光检测到改变，激光信号用于调谐振荡器。这个反馈回路纠正了振荡器的缺陷。

与时钟的钟摆或手表的机械机构不同，原子不受制造误差或磨损的影响; 与环境适当隔离，其共振频率由物理定律决定。在实践中达到必要的隔离水平意味着最好的原子钟占据整个房间。商业原子钟通常是手提箱的大小。

原子钟：一个原子钟开始于一个振荡器[见图]，它创建一个接近所用原子能级的频率。如果振荡器偏离参考频率，则原子的吸收模式发生变化，激光器检测到该变化，并将激光器的信号用作反馈来调谐振荡器。为了获得最好的性能，原子必须是电磁隔离的，这就需要可以占用整个房间的设备。

2004年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）的科学家们在微型制造中发挥了作用，将整个装置缩小到几毫米大小的部件。这种“芯片级”原子钟现在可以在商业上获得并用于诸如军事通信和水下导航等小众应用。但是，这种小型化的代价是-不仅仅是制造成本-因为如此多的原子与室壁相互作用，真空室的微小尺寸会导致时钟频率的微小变化，而产生对于便携式设备而言，蒸气构成了严重的功率消耗。这项技术将很长一段时间才会进入你的手机。

幸运的是，在英国牛津大学的Andrew Briggs和Arzhang Ardavan于2008年提出了另一种选择。这种方法不是用一个腔室来捕捉原子，而是利用自然的陷阱：一种内嵌富勒烯。

内嵌富勒烯或金属富勒烯，几乎看起来违反了化学键的普通定律。外面是一个富勒烯（以巴特明斯特·富勒（Buckminster Fuller）命名，geodesic dome的冠军），一个空心的原子球，可以作为一个容器。一个原子或一个较小的分子可以装入内部而不会与外壳结合，因此可以保护其免受外界环境的影响，即使这样填充的原子笼具有类似于空富勒烯的特性。

填充富勒烯：六十个碳原子形成一个球笼，被称为富勒烯，可以捕获氮分子。这种安排保护氮[蓝色]不受磁干扰，使其共振，因此成为原子钟的基础。

毫无疑问，任何这样的内嵌富勒烯中最特别的是N@C60，60碳笼内的氮原子，其类似于足球。就好像氮原子漂浮在富勒烯内部，保持其原子特性。氦和氖等贵重气体元素也被纳入C60。这些是非常惰性的种类，不同于氮这种已知的最具反应性的元素之一。事实证明，氮是制造精确原子钟的关键。

N@C60是一种分子，由于氮的反应性，不应该存在。不过，有几种合成N@C60的方法。所有这些方法都需要极端的条件，因为将氮原子推过碳笼是热力学不利的-推动水向上的化学等价物。然而，一旦分子形成，富勒烯笼分离并稳定氮原子，因此合成的产物可被收集和储存。

在牛津大学的实验室里，我们用所谓的离子注入来制造这些笼状分子。热被用来在真空室中蒸发富勒烯，在那里它们飘浮在表面上。这个过程逐渐在该表面上形成C60膜。

在C60膜生长的同时，氮离子被喷射到膜的表面上。其中一些氮离子被捕获在生长的C60膜中，形成所需的分子。然而，收率非常低：对于每个N@60分子，将有大约10,000个无氮C60分子。

由于C60和N@60在化学上几乎是相同的，所以净化N@C60是困难的。这里的关键词几乎是。分子量和分子极化率之间的小差异意味着可以通过应用称为高压液相色谱法或HPLC的技术来分离它们。我们是第一个在2004年开发这项技术的公司，而且我们在2014年从牛津分离出来的Designer Carbon Materials公司仍然这样做。

我们公司已经开始向世界各地的研究小组出售N@C60和其他定制的内嵌富勒烯。如果你需要一些，我们会很乐意把你想要的东西卖给你：我们收取每克2亿英镑。

在标准色谱法中，具有不同化学特性的物质通过使它们运行一种手套来分离-阻碍一种物质比另一种物质通过更多的障碍物。HPLC通过使用泵送的溶剂（因此术语“高压”）以这样的方式去除碳富勒烯的沉积膜，使得期望的分子（包围氮的富勒烯）优先被带走。由于粗制混合物中N@C60含量有限，这个过程必须重复多次。该再循环可以实现完全分离C60和N@C60。

射击氮原子：作者在真空室内加热碳源，使其蒸发或升华。蒸气中含有碳-60富勒烯笼，当它达到相对较冷的铜靶时，凝结成膜。同时，装置将氮离子射入膜中，将离子注入笼子的一小部分中。

回到原子钟：我们从一个振荡器开始，产生一个接近氮气吸收频率的无线电信号。我们通过天线将信号传输到包含分子样本的细胞，无论是粉末还是溶液。如果振荡器正确调谐，则功率被吸收。如果我们看到吸收功率下降，我们就会知道振荡器已经偏离了目标频率。使用一个反馈机制，振荡器可以被调整回到最大吸收点。由于这个频率是精确知道的，通过简单的计算稳定振荡器的周期就可以得到准确的时间基准。我们通过调制振荡器频率来管理反馈，并让探测器看着那个调制。如果振荡器设置正确，则输出调制为零;如果振荡器的中心频率偏离了，则输出调制的信号告诉我们它移动到的共振的哪边。

富勒烯如N@C60是优秀的参考材料，因为正如我们在2006年表明，它们的量子力学自旋态之间的转换具有某些分子最准确的描述频率。如果绘制材料对刺激辐射的响应图，则在共振频率处将显示非常窄的峰值。而且，富勒烯笼防止容器的壁影响频率。然而，一个外部影响穿透富勒烯笼并且可以改变相关频率：磁场。因为世界充满了不受控制的磁场-例如来自电动机，钢铁车辆和地球本身，对它们的保护对稳定时钟至关重要。Briggs和Ardavan认识到，对于N@C60而言，分子应用一个小的静态磁场可以调整能级，使得对共振频率的所有磁场影响相互抵消。

当然，这一点是有一天将一个完整的原子钟整合到一个芯片中。在这种设计中，整个操作是基于射频电子设备的，避免了传统原子钟中使用的光学元件。与蒸气钟不同，不需要维持真空室，也不需要耗费电力的加热器来排出电池。基于富勒烯的原子钟因此可以是小型，轻质和高能效的。这可能会取代现今几乎所有电子设备中使用的许多石英振荡器，以节省时间。

我们在实现这一目标方面的进展达到了今年的一个关键里程碑，当时我们发现碳屏蔽氮离子的能量水平对磁场噪声不敏感。尽管我们希望尽快这样做，但我们还没有将这些材料加入原型钟。

历史上，每一代便携式计时器都带来了新的可能性。早期的应用可能会利用精确的时钟也是一个精确的频率合成器的事实。例如，在无线通信中，将信道复用到一个频带中需要每个发射机严格地保持其分配的载波频率。（这也是一些手机塔已经配备了原子钟的原因）。随着物联网等未来网络挤入有限的频谱，便携和稳定的时钟将变得越来越必要。

由于类似的原因，GPS接收机将受益于机载时钟。考虑到GPS信号本身带有时间信息，这也许是令人惊讶的，但是这是因为来自卫星的信号很弱-与跨大陆传播的灯泡的功率相当。景观特征，建筑物和干扰使得难以发现。为了跟踪这个弱信号，接收机必须精确地锁定在广播频率上。本地频率参考越稳定，这个跟踪可以更快和更可靠。

在敌对的环境中，如战场，这变得更加重要。GPS信号容易受到干扰，有效的（但是非法的）干扰信号广泛存在，并可能在未来的战争中遇到。有了精确的时间信息，GPS接收机可以将真实信号隔离在干扰噪声之上。接收机甚至可以允许导航在卫星网络部分毁坏的情况下继续存在。

现在的接收机必须同时使用来自四个或更多个卫星的信号来确定它们的位置，但是一个足够精确的时钟可以使用来自单个卫星的连续信号。其他的国防应用包括跳频通信，双基地雷达（在这种情况下，攻击者可以从远方的发射机发出的目标中悄悄地获得雷达信号）以及对敌方通信的敏感监测。由于这些原因，便携式钟表在很多国家都是军方最感兴趣的。

最后，可能会有全新的应用程序。例如，仓库，邮局，甚至地铁在未来可能会配备自己的本地定位系统，使用小型无线基站。然后可以追踪包裹，设备和人员，而不需要任何人签字交付包裹或在任何地点记录其位置。即使是无人驾驶的汽车也可以从机载设备中受益，这种设备可以在地形复杂的地区（如卫星GPS信号不可用的隧道）保持非常准确的时间。

为了实现这些可能性，许多元素必须聚集在一起。首先，有必要优化时钟所依赖的原子共振频率的稳定性。为了使技术具有竞争力，频率波动必须远低于百万分之一，尽管温度，磁场和化学环境不同。其次是缩小样品池，磁铁和射频电子设备到芯片级设备的小型化任务。三是需要低功耗。最后是工业规模生产内嵌富勒烯的需求，迄今为止仅以毫克量存在的材料。

尽管如此，内嵌富勒烯已经开始出现在市场上。位于Jacksonville，Fla.的技术公司LocatorX已获得牛津原子钟专利授权，并正在开发其商业用途。

为了将小型化的原子钟纳入日常设备，我们必须将科学和工程的许多不同领域推到极限。但奖励非常重要。我们期待着内嵌富勒烯在我们周围击败时间的那一天。

这篇文章出现在2017年12月的印刷期刊中，“保持与笼养原子的完美时间”。