我們手機中的超精準(zhǔn)時鐘意味著我們將始終知道我們在時間和空間中的位置

Fridtjof Nansen，1895年4月13日開始。六天前，挪威探險家創(chuàng)下了與北極最接近的新紀(jì)錄，現(xiàn)在他正在不間斷的海冰上快速移動到弗萊角（Cape Fligely）和家鄉(xiāng)?？墒呛髞韰s發(fā)現(xiàn)了一個令人作嘔的事實：他急于拆除營地，忘記了把計時器上發(fā)條。他錯過了精確的時間，因此也失去了找到他所在的經(jīng)度的能力。

盡管Nansen不可能在幾分鐘之內(nèi)失去了自己的位置，但卻迫使他采取了一條迂回保守的路線，以免被卷入北大西洋。因此，他的遠(yuǎn)征不得不忍受一個饑餓的冬天，駐扎在一個不知名的海岸上。直到明年六月，他才遇到其他探險家，并在Franz Josef Land的Cape Felder獲悉他的真實位置。

今天，任何擁有智能手機的人都可以輕松確定自己的時間和地點。全球定位系統(tǒng)（GPS）的衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)廣播時鐘信號，其中的不確定度低于100納秒，或千萬分之一秒。這些時間信號攜帶了精確導(dǎo)航所需的信息：由于無線電波每毫微秒正好以0.299,792,458米的速度傳播（除了由于大氣折射造成的微小變化），通過比較來自不同衛(wèi)星的信號，可以確定在幾米內(nèi)的一個位置。這就是為什么GPS應(yīng)用到地震監(jiān)測器，無人機快遞和許多其他應(yīng)用。

但是GPS不能解決所有的時間問題。系統(tǒng)的核心是每個衛(wèi)星上攜帶的原子鐘。盡管這些時鐘非常穩(wěn)定（并且通過將其與國家標(biāo)準(zhǔn)實驗室的地面原子鐘進行比較來進行定期校準(zhǔn)），但是在將定時信息傳輸給用戶干擾，欺騙，無意的干擾，太陽風(fēng)暴，甚至從建筑物的反射。但是如果我們可以通過縮小原子鐘本身直接把這個精度放在用戶手中，那么它可以在GPS接收器內(nèi)工作呢？像Nansen那樣，我們是否想和我們一起攜帶我們最好的鐘表？

在研究中，現(xiàn)在公布在物理評論快報（Physical Review Letters），我們表明，這樣的移動時鐘是可能的。我們希望盡快做出來。

原子鐘的核心是一個真空室，里面有一層薄薄的汽化金屬，通常是銫。水汽中的原子以一個精確的頻率共振，這意味著它們的電子將只接收來自恰好具有適量的光子的能量。如果這些光子的能量太少或太少，也就是說，如果它們的頻率太高或太低，吸收就會顯著下降。這是一個原子鐘的主要特點。

這是如何工作的。電子振蕩器產(chǎn)生的微波頻率非常接近我們用于時鐘的原子的能級。如果振蕩器偏離正確的頻率，則吸收改變，激光檢測到改變，激光信號用于調(diào)諧振蕩器。這個反饋回路糾正了振蕩器的缺陷。

與時鐘的鐘擺或手表的機械機構(gòu)不同，原子不受制造誤差或磨損的影響; 與環(huán)境適當(dāng)隔離，其共振頻率由物理定律決定。在實踐中達(dá)到必要的隔離水平意味著最好的原子鐘占據(jù)整個房間。商業(yè)原子鐘通常是手提箱的大小。

原子鐘：一個原子鐘開始于一個振蕩器[見圖]，它創(chuàng)建一個接近所用原子能級的頻率。如果振蕩器偏離參考頻率，則原子的吸收模式發(fā)生變化，激光器檢測到該變化，并將激光器的信號用作反饋來調(diào)諧振蕩器。為了獲得最好的性能，原子必須是電磁隔離的，這就需要可以占用整個房間的設(shè)備。

2004年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology）的科學(xué)家們在微型制造中發(fā)揮了作用，將整個裝置縮小到幾毫米大小的部件。這種“芯片級”原子鐘現(xiàn)在可以在商業(yè)上獲得并用于諸如軍事通信和水下導(dǎo)航等小眾應(yīng)用。但是，這種小型化的代價是-不僅僅是制造成本-因為如此多的原子與室壁相互作用，真空室的微小尺寸會導(dǎo)致時鐘頻率的微小變化，而產(chǎn)生對于便攜式設(shè)備而言，蒸氣構(gòu)成了嚴(yán)重的功率消耗。這項技術(shù)將很長一段時間才會進入你的手機。

幸運的是，在英國牛津大學(xué)的Andrew Briggs和Arzhang Ardavan于2008年提出了另一種選擇。這種方法不是用一個腔室來捕捉原子，而是利用自然的陷阱：一種內(nèi)嵌富勒烯。

內(nèi)嵌富勒烯或金屬富勒烯，幾乎看起來違反了化學(xué)鍵的普通定律。外面是一個富勒烯（以巴特明斯特·富勒（Buckminster Fuller）命名，geodesic dome的冠軍），一個空心的原子球，可以作為一個容器。一個原子或一個較小的分子可以裝入內(nèi)部而不會與外殼結(jié)合，因此可以保護其免受外界環(huán)境的影響，即使這樣填充的原子籠具有類似于空富勒烯的特性。

填充富勒烯：六十個碳原子形成一個球籠，被稱為富勒烯，可以捕獲氮分子。這種安排保護氮[藍(lán)色]不受磁干擾，使其共振，因此成為原子鐘的基礎(chǔ)。

毫無疑問，任何這樣的內(nèi)嵌富勒烯中最特別的是N@C60，60碳籠內(nèi)的氮原子，其類似于足球。就好像氮原子漂浮在富勒烯內(nèi)部，保持其原子特性。氦和氖等貴重氣體元素也被納入C60。這些是非常惰性的種類，不同于氮這種已知的最具反應(yīng)性的元素之一。事實證明，氮是制造精確原子鐘的關(guān)鍵。

N@C60是一種分子，由于氮的反應(yīng)性，不應(yīng)該存在。不過，有幾種合成N@C60的方法。所有這些方法都需要極端的條件，因為將氮原子推過碳籠是熱力學(xué)不利的-推動水向上的化學(xué)等價物。然而，一旦分子形成，富勒烯籠分離并穩(wěn)定氮原子，因此合成的產(chǎn)物可被收集和儲存。

在牛津大學(xué)的實驗室里，我們用所謂的離子注入來制造這些籠狀分子。熱被用來在真空室中蒸發(fā)富勒烯，在那里它們飄浮在表面上。這個過程逐漸在該表面上形成C60膜。

在C60膜生長的同時，氮離子被噴射到膜的表面上。其中一些氮離子被捕獲在生長的C60膜中，形成所需的分子。然而，收率非常低：對于每個N@60分子，將有大約10,000個無氮C60分子。

由于C60和N@60在化學(xué)上幾乎是相同的，所以凈化N@C60是困難的。這里的關(guān)鍵詞幾乎是。分子量和分子極化率之間的小差異意味著可以通過應(yīng)用稱為高壓液相色譜法或HPLC的技術(shù)來分離它們。我們是第一個在2004年開發(fā)這項技術(shù)的公司，而且我們在2014年從牛津分離出來的Designer Carbon Materials公司仍然這樣做。

我們公司已經(jīng)開始向世界各地的研究小組出售N@C60和其他定制的內(nèi)嵌富勒烯。如果你需要一些，我們會很樂意把你想要的東西賣給你：我們收取每克2億英鎊。

在標(biāo)準(zhǔn)色譜法中，具有不同化學(xué)特性的物質(zhì)通過使它們運行一種手套來分離-阻礙一種物質(zhì)比另一種物質(zhì)通過更多的障礙物。HPLC通過使用泵送的溶劑（因此術(shù)語“高壓”）以這樣的方式去除碳富勒烯的沉積膜，使得期望的分子（包圍氮的富勒烯）優(yōu)先被帶走。由于粗制混合物中N@C60含量有限，這個過程必須重復(fù)多次。該再循環(huán)可以實現(xiàn)完全分離C60和N@C60。

射擊氮原子：作者在真空室內(nèi)加熱碳源，使其蒸發(fā)或升華。蒸氣中含有碳-60富勒烯籠，當(dāng)它達(dá)到相對較冷的銅靶時，凝結(jié)成膜。同時，裝置將氮離子射入膜中，將離子注入籠子的一小部分中。

回到原子鐘：我們從一個振蕩器開始，產(chǎn)生一個接近氮氣吸收頻率的無線電信號。我們通過天線將信號傳輸?shù)桨肿訕颖镜募?xì)胞，無論是粉末還是溶液。如果振蕩器正確調(diào)諧，則功率被吸收。如果我們看到吸收功率下降，我們就會知道振蕩器已經(jīng)偏離了目標(biāo)頻率。使用一個反饋機制，振蕩器可以被調(diào)整回到最大吸收點。由于這個頻率是精確知道的，通過簡單的計算穩(wěn)定振蕩器的周期就可以得到準(zhǔn)確的時間基準(zhǔn)。我們通過調(diào)制振蕩器頻率來管理反饋，并讓探測器看著那個調(diào)制。如果振蕩器設(shè)置正確，則輸出調(diào)制為零;如果振蕩器的中心頻率偏離了，則輸出調(diào)制的信號告訴我們它移動到的共振的哪邊。

富勒烯如N@C60是優(yōu)秀的參考材料，因為正如我們在2006年表明，它們的量子力學(xué)自旋態(tài)之間的轉(zhuǎn)換具有某些分子最準(zhǔn)確的描述頻率。如果繪制材料對刺激輻射的響應(yīng)圖，則在共振頻率處將顯示非常窄的峰值。而且，富勒烯籠防止容器的壁影響頻率。然而，一個外部影響穿透富勒烯籠并且可以改變相關(guān)頻率：磁場。因為世界充滿了不受控制的磁場-例如來自電動機，鋼鐵車輛和地球本身，對它們的保護對穩(wěn)定時鐘至關(guān)重要。Briggs和Ardavan認(rèn)識到，對于N@C60而言，分子應(yīng)用一個小的靜態(tài)磁場可以調(diào)整能級，使得對共振頻率的所有磁場影響相互抵消。

當(dāng)然，這一點是有一天將一個完整的原子鐘整合到一個芯片中。在這種設(shè)計中，整個操作是基于射頻電子設(shè)備的，避免了傳統(tǒng)原子鐘中使用的光學(xué)元件。與蒸氣鐘不同，不需要維持真空室，也不需要耗費電力的加熱器來排出電池?；诟焕障┑脑隅娨虼丝梢允切⌒?，輕質(zhì)和高能效的。這可能會取代現(xiàn)今幾乎所有電子設(shè)備中使用的許多石英振蕩器，以節(jié)省時間。

我們在實現(xiàn)這一目標(biāo)方面的進展達(dá)到了今年的一個關(guān)鍵里程碑，當(dāng)時我們發(fā)現(xiàn)碳屏蔽氮離子的能量水平對磁場噪聲不敏感。盡管我們希望盡快這樣做，但我們還沒有將這些材料加入原型鐘。

歷史上，每一代便攜式計時器都帶來了新的可能性。早期的應(yīng)用可能會利用精確的時鐘也是一個精確的頻率合成器的事實。例如，在無線通信中，將信道復(fù)用到一個頻帶中需要每個發(fā)射機嚴(yán)格地保持其分配的載波頻率。（這也是一些手機塔已經(jīng)配備了原子鐘的原因）。隨著物聯(lián)網(wǎng)等未來網(wǎng)絡(luò)擠入有限的頻譜，便攜和穩(wěn)定的時鐘將變得越來越必要。

由于類似的原因，GPS接收機將受益于機載時鐘?？紤]到GPS信號本身帶有時間信息，這也許是令人驚訝的，但是這是因為來自衛(wèi)星的信號很弱-與跨大陸傳播的燈泡的功率相當(dāng)。景觀特征，建筑物和干擾使得難以發(fā)現(xiàn)。為了跟蹤這個弱信號，接收機必須精確地鎖定在廣播頻率上。本地頻率參考越穩(wěn)定，這個跟蹤可以更快和更可靠。

在敵對的環(huán)境中，如戰(zhàn)場，這變得更加重要。GPS信號容易受到干擾，有效的（但是非法的）干擾信號廣泛存在，并可能在未來的戰(zhàn)爭中遇到。有了精確的時間信息，GPS接收機可以將真實信號隔離在干擾噪聲之上。接收機甚至可以允許導(dǎo)航在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部分毀壞的情況下繼續(xù)存在。

現(xiàn)在的接收機必須同時使用來自四個或更多個衛(wèi)星的信號來確定它們的位置，但是一個足夠精確的時鐘可以使用來自單個衛(wèi)星的連續(xù)信號。其他的國防應(yīng)用包括跳頻通信，雙基地雷達(dá)（在這種情況下，攻擊者可以從遠(yuǎn)方的發(fā)射機發(fā)出的目標(biāo)中悄悄地獲得雷達(dá)信號）以及對敵方通信的敏感監(jiān)測。由于這些原因，便攜式鐘表在很多國家都是軍方最感興趣的。

最后，可能會有全新的應(yīng)用程序。例如，倉庫，郵局，甚至地鐵在未來可能會配備自己的本地定位系統(tǒng)，使用小型無線基站。然后可以追蹤包裹，設(shè)備和人員，而不需要任何人簽字交付包裹或在任何地點記錄其位置。即使是無人駕駛的汽車也可以從機載設(shè)備中受益，這種設(shè)備可以在地形復(fù)雜的地區(qū)（如衛(wèi)星GPS信號不可用的隧道）保持非常準(zhǔn)確的時間。

為了實現(xiàn)這些可能性，許多元素必須聚集在一起。首先，有必要優(yōu)化時鐘所依賴的原子共振頻率的穩(wěn)定性。為了使技術(shù)具有競爭力，頻率波動必須遠(yuǎn)低于百萬分之一，盡管溫度，磁場和化學(xué)環(huán)境不同。其次是縮小樣品池，磁鐵和射頻電子設(shè)備到芯片級設(shè)備的小型化任務(wù)。三是需要低功耗。最后是工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)內(nèi)嵌富勒烯的需求，迄今為止僅以毫克量存在的材料。

盡管如此，內(nèi)嵌富勒烯已經(jīng)開始出現(xiàn)在市場上。位于Jacksonville，F(xiàn)la.的技術(shù)公司LocatorX已獲得牛津原子鐘專利授權(quán)，并正在開發(fā)其商業(yè)用途。

為了將小型化的原子鐘納入日常設(shè)備，我們必須將科學(xué)和工程的許多不同領(lǐng)域推到極限。但獎勵非常重要。我們期待著內(nèi)嵌富勒烯在我們周圍擊敗時間的那一天。

這篇文章出現(xiàn)在2017年12月的印刷期刊中，“保持與籠養(yǎng)原子的完美時間”。