我們手機(jī)中的超精準(zhǔn)時(shí)鐘意味著我們將始終知道我們?cè)跁r(shí)間和空間中的位置

Fridtjof Nansen，1895年4月13日開(kāi)始。六天前，挪威探險(xiǎn)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(dòng)到弗萊角（Cape Fligely）和家鄉(xiāng)。可是后來(lái)卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人作嘔的事實(shí)：他急于拆除營(yíng)地，忘記了把計(jì)時(shí)器上發(fā)條。他錯(cuò)過(guò)了精確的時(shí)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(gè)饑餓的冬天，駐扎在一個(gè)不知名的海岸上。直到明年六月，他才遇到其他探險(xiǎn)家，并在Franz Josef Land的Cape Felder獲悉他的真實(shí)位置。

今天，任何擁有智能手機(jī)的人都可以輕松確定自己的時(shí)間和地點(diǎn)。全球定位系統(tǒng)（GPS）的衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)廣播時(shí)鐘信號(hào)，其中的不確定度低于100納秒，或千萬(wàn)分之一秒。這些時(shí)間信號(hào)攜帶了精確導(dǎo)航所需的信息：由于無(wú)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(guò)比較來(lái)自不同衛(wèi)星的信號(hào)，可以確定在幾米內(nèi)的一個(gè)位置。這就是為什么GPS應(yīng)用到地震監(jiān)測(cè)器，無(wú)人機(jī)快遞和許多其他應(yīng)用。

但是GPS不能解決所有的時(shí)間問(wèn)題。系統(tǒng)的核心是每個(gè)衛(wèi)星上攜帶的原子鐘。盡管這些時(shí)鐘非常穩(wěn)定（并且通過(guò)將其與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的地面原子鐘進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行定期校準(zhǔn)），但是在將定時(shí)信息傳輸給用戶干擾，欺騙，無(wú)意的干擾，太陽(yáng)風(fēng)暴，甚至從建筑物的反射。但是如果我們可以通過(guò)縮小原子鐘本身直接把這個(gè)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(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters），我們表明，這樣的移動(dòng)時(shí)鐘是可能的。我們希望盡快做出來(lái)。

原子鐘的核心是一個(gè)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(gè)精確的頻率共振，這意味著它們的電子將只接收來(lái)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(shuō)，如果它們的頻率太高或太低，吸收就會(huì)顯著下降。這是一個(gè)原子鐘的主要特點(diǎn)。

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(shí)鐘的原子的能級(jí)。如果振蕩器偏離正確的頻率，則吸收改變，激光檢測(cè)到改變，激光信號(hào)用于調(diào)諧振蕩器。這個(gè)反饋回路糾正了振蕩器的缺陷。

與時(shí)鐘的鐘擺或手表的機(jī)械機(jī)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(shí)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(gè)房間。商業(yè)原子鐘通常是手提箱的大小。

原子鐘：一個(gè)原子鐘開(kāi)始于一個(gè)振蕩器[見(jiàn)圖]，它創(chuàng)建一個(gè)接近所用原子能級(jí)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(cè)到該變化，并將激光器的信號(hào)用作反饋來(lái)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(gè)房間的設(shè)備。

2004年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology）的科學(xué)家們?cè)谖⑿椭圃熘邪l(fā)揮了作用，將整個(gè)裝置縮小到幾毫米大小的部件。這種“芯片級(jí)”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(jià)是-不僅僅是制造成本-因?yàn)槿绱硕嗟脑优c室壁相互作用，真空室的微小尺寸會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘頻率的微小變化，而產(chǎn)生對(duì)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(xiàng)技術(shù)將很長(zhǎng)一段時(shí)間才會(huì)進(jìn)入你的手機(jī)。

幸運(yùn)的是，在英國(guó)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(gè)腔室來(lái)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(lái)違反了化學(xué)鍵的普通定律。外面是一個(gè)富勒烯（以巴特明斯特·富勒（Buckminster Fuller）命名，geodesic dome的冠軍），一個(gè)空心的原子球，可以作為一個(gè)容器。一個(gè)原子或一個(gè)較小的分子可以裝入內(nèi)部而不會(huì)與外殼結(jié)合，因此可以保護(hù)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(gè)碳原子形成一個(gè)球籠，被稱為富勒烯，可以捕獲氮分子。這種安排保護(hù)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(wú)疑問(wèn)，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(shí)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(guò)，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?yàn)閷⒌油七^(guò)碳籠是熱力學(xué)不利的-推動(dòng)水向上的化學(xué)等價(jià)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(chǔ)存。

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

在C60膜生長(zhǎng)的同時(shí)，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(zhǎng)的C60膜中，形成所需的分子。然而，收率非常低：對(duì)于每個(gè)N@60分子，將有大約10,000個(gè)無(wú)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(guò)應(yīng)用稱為高壓液相色譜法或HPLC的技術(shù)來(lái)分離它們。我們是第一個(gè)在2004年開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的公司，而且我們?cè)?014年從牛津分離出來(lái)的Designer Carbon Materials公司仍然這樣做。

我們公司已經(jīng)開(kāi)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(huì)很樂(lè)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(guò)使它們運(yùn)行一種手套來(lái)分離-阻礙一種物質(zhì)比另一種物質(zhì)通過(guò)更多的障礙物。HPLC通過(guò)使用泵送的溶劑（因此術(shù)語(yǔ)“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(gè)過(guò)程必須重復(fù)多次。該再循環(huán)可以實(shí)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(duì)較冷的銅靶時(shí)，凝結(jié)成膜。同時(shí)，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(gè)振蕩器開(kāi)始，產(chǎn)生一個(gè)接近氮?dú)馕疹l率的無(wú)線電信號(hào)。我們通過(guò)天線將信號(hào)傳輸?shù)桨肿訕颖镜募?xì)胞，無(wú)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(huì)知道振蕩器已經(jīng)偏離了目標(biāo)頻率。使用一個(gè)反饋機(jī)制，振蕩器可以被調(diào)整回到最大吸收點(diǎn)。由于這個(gè)頻率是精確知道的，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算穩(wěn)定振蕩器的周期就可以得到準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。我們通過(guò)調(diào)制振蕩器頻率來(lái)管理反饋，并讓探測(cè)器看著那個(gè)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(hào)告訴我們它移動(dòng)到的共振的哪邊。

富勒烯如N@C60是優(yōu)秀的參考材料，因?yàn)檎缥覀冊(cè)?006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(duì)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(gè)外部影響穿透富勒烯籠并且可以改變相關(guān)頻率：磁場(chǎng)。因?yàn)槭澜绯錆M了不受控制的磁場(chǎng)-例如來(lái)自電動(dòng)機(jī)，鋼鐵車輛和地球本身，對(duì)它們的保護(hù)對(duì)穩(wěn)定時(shí)鐘至關(guān)重要。Briggs和Ardavan認(rèn)識(shí)到，對(duì)于N@C60而言，分子應(yīng)用一個(gè)小的靜態(tài)磁場(chǎng)可以調(diào)整能級(jí)，使得對(duì)共振頻率的所有磁場(chǎng)影響相互抵消。

當(dāng)然，這一點(diǎn)是有一天將一個(gè)完整的原子鐘整合到一個(gè)芯片中。在這種設(shè)計(jì)中，整個(gè)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(fèi)電力的加熱器來(lái)排出電池。基于富勒烯的原子鐘因此可以是小型，輕質(zhì)和高能效的。這可能會(huì)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(shí)間。

我們?cè)趯?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面的進(jìn)展達(dá)到了今年的一個(gè)關(guān)鍵里程碑，當(dāng)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)碳屏蔽氮離子的能量水平對(duì)磁場(chǎng)噪聲不敏感。盡管我們希望盡快這樣做，但我們還沒(méi)有將這些材料加入原型鐘。

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

由于類似的原因，GPS接收機(jī)將受益于機(jī)載時(shí)鐘。考慮到GPS信號(hào)本身帶有時(shí)間信息，這也許是令人驚訝的，但是這是因?yàn)閬?lái)自衛(wèi)星的信號(hào)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(gè)弱信號(hào)，接收機(jī)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(gè)跟蹤可以更快和更可靠。

在敵對(duì)的環(huán)境中，如戰(zhàn)場(chǎng)，這變得更加重要。GPS信號(hào)容易受到干擾，有效的（但是非法的）干擾信號(hào)廣泛存在，并可能在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中遇到。有了精確的時(shí)間信息，GPS接收機(jī)可以將真實(shí)信號(hào)隔離在干擾噪聲之上。接收機(jī)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(jī)必須同時(shí)使用來(lái)自四個(gè)或更多個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)來(lái)確定它們的位置，但是一個(gè)足夠精確的時(shí)鐘可以使用來(lái)自單個(gè)衛(wèi)星的連續(xù)信號(hào)。其他的國(guó)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(jī)發(fā)出的目標(biāo)中悄悄地獲得雷達(dá)信號(hào)）以及對(duì)敵方通信的敏感監(jiān)測(cè)。由于這些原因，便攜式鐘表在很多國(guó)家都是軍方最感興趣的。

最后，可能會(huì)有全新的應(yīng)用程序。例如，倉(cāng)庫(kù)，郵局，甚至地鐵在未來(lái)可能會(huì)配備自己的本地定位系統(tǒng)，使用小型無(wú)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(diǎn)記錄其位置。即使是無(wú)人駕駛的汽車也可以從機(jī)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(hào)不可用的隧道）保持非常準(zhǔn)確的時(shí)間。

為了實(shí)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(shí)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(jìng)爭(zhēng)力，頻率波動(dòng)必須遠(yuǎn)低于百萬(wàn)分之一，盡管溫度，磁場(chǎng)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(jí)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(kāi)始出現(xiàn)在市場(chǎng)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(kāi)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(jiǎng)勵(lì)非常重要。我們期待著內(nèi)嵌富勒烯在我們周圍擊敗時(shí)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(shí)間”。