有史以来最稳定的激光

最好的原子钟会计数原子所吸收光的振动。为此，它们需要一台频率几乎纹丝不动的激光，才能探测极其狭窄的原子跃迁。当今最稳定的激光被锁定在低温硅腔上：两面镜子由一根单晶硅棒隔开，并被冷却到远低于室温的温度。在两面镜子之间来回反射的光只在非常精确的频率上发生共振，激光被迫跟随这些频率。

这类腔的相对稳定度已经达到10⁻¹⁷量级——频率的游移只有其数值的约亿分之一的十亿分之一。在许多实验中，激光仍然是主要噪声源之一——因此，一台更稳定的激光能立即改进测量。

抖动的镜子

限制最好的硅腔的，是镜面镀膜中的布朗热噪声：薄薄的反射层从来不会完全静止，因为热会让其中的原子不停抖动。这种微小的运动会改变腔的长度，从而改变光的颜色。

JILA（美国国家标准与技术研究院与科罗拉多大学博尔德分校）的本·刘易斯（Ben Lewis）、叶军（Jun Ye）及其同事，与德国布伦瑞克联邦物理技术研究院（PTB）的物理学家合作，对早先21厘米长的硅腔做了两项改动：

• 更冷。 早先的系统在124 K下运行，这是硅不再随温度热胀冷缩的温度之一。名为Si7的新腔，要么在另一个这样的温度16 K下运行，要么在其低温恒温器所能达到的最低温度6 K下运行。
• 更宽的光束。 改用弯曲程度更小的曲面镜（曲率半径为10.2米而非1米）后，镜面上光斑的半径从480微米增大到850微米——扩大光束是已知的降低热噪声的方法之一。

两项改动合在一起，使热噪声比早先的系统降低到三分之一到五分之一。

在低温中对抗振动

这两项改动通常都会让腔对振动更加敏感，而要达到6 K或16 K，又需要一台氦制冷机——一种会震动的机器。团队把制冷机放在光学平台旁边的地面上，用管道把冷氦气送到实验装置。腔安放在一张主动隔振平台上，由三颗直径6毫米的红宝石球托住其中部。

低温还带来另一个问题：在接近绝对零度时，材料能储存的热量非常少，因此温度波动很难被抑制。解决办法是铒：在16 K时，它单位体积储存的热量是不锈钢的6倍、铜的13倍。层层屏蔽罩和铒块把任何温度变化都减缓到约四天的时间尺度。控制传感器保持在16.183 K，一个独立传感器与其目标值的偏差不超过万分之一度。

纪录

与另外两个硅腔和一台锶原子钟进行比较，这台激光达到了：

• 在6 K下，取平均时间为2至50秒时，相对稳定度为7 × 10⁻¹⁸——创下新纪录：频率起伏仅约千分之一点四赫兹——在194太赫兹的光频上线宽（激光自身频率的展宽）为2.5毫赫兹；
• 在16 K下，稳定度为9 × 10⁻¹⁸，线宽2.9 mHz，但在以天计的时间尺度上表现更好。

腔变得更冷时噪声随之下降，这表明激光已经达到了预期的极限：镀膜的热噪声，而不是振动或电子学噪声。

在为期14天和7天的两轮运行中，锶原子钟追踪了腔的缓慢漂移：小于每秒4微赫兹，与氢脉泽（时间实验室的参考振荡器）相当，比在124 K下运行的硅腔小十倍。这个腔在冷却后九个月就达到了这一水平；而124 K的腔花了十年。

以秒计地观察原子

这台激光已经投入使用。驱动锶光晶格钟（原子被困在由激光构成的网格中）时，它让原子可以被探测超过10秒——探测时间越长，原子的谱线越窄，原子钟就能越精确地找到谱线中心。12秒后，干涉信号（拉姆齐条纹）仍保有75%的对比度，一个12.4秒的单脉冲给出的谱线宽度仅为64毫赫兹。原子钟所用的锶-87激发态寿命约为170秒——这是探测时间的下一个前沿。

迈向10⁻¹⁸

新激光将取代JILA此前的参考激光，据作者称，它能让博尔德网络中所有光钟达到给定精度所需的时间最多缩短到十分之一。晶体镜面镀膜可以在6 K下把热噪声降低到约1.5 × 10⁻¹⁸；更冷、更长的腔或更宽的光束，则可以把它推到1 × 10⁻¹⁸或更低。仍有一个谜团：超过100秒后出现的额外噪声，其来源目前低温恒温器内的任何传感器都还无法确定。