美国国家标准与技术研究院(NIST)的实验原子钟已经取得了三项新的性能记录，现在精确到足以不仅改善计时和导航，还可以检测来自重力，早期宇宙甚至暗物质的微弱信号。

时钟每个都捕获光学晶格中的一千个镱原子，激光束制成的网格。原子通过振动或在两个能级之间切换来打勾。通过比较两个独立的时钟，NIST物理学家在三个重要指标中取得了创纪录的成绩：系统不确定性，稳定性和可重复性。

11月28日在“自然”杂志上发表的新NIST时钟记录是：

系统性不确定性：时钟表示原子的自然振动或频率。美国国家标准与技术研究院的研究人员发现，每个时钟都以与自然频率相匹配的速率打勾，在1018的可能误差范围内只有1.4个部分- 大约十亿分之一十亿分之一。

稳定性：时钟的频率在指定的时间间隔内变化多少，在一天内测量到1019(或0.00000000000000000032)中3.2个部分的水平。

再现性：两个时钟在相同频率下的接近程度，由时钟对的10次比较显示，产生的频率差低于10-18级(再次，低于十亿分之一十亿分之一)。

“系统的不确定性，稳定性和可重复性可以被认为是这些时钟的'皇家同花'，”项目负责人Andrew Ludlow说。“两个时钟在这个前所未有的水平上的一致性，我们称之为可重复性，也许是最重要的一个结果，因为它基本上要求并证实了另外两个结果。”

“这尤其正确，因为所展示的可重复性表明，时钟的总误差低于我们在地球上对重力对时间的影响的一般能力。因此，正如我们设想的这样的时钟在全国或世界各地使用，他们的亲戚表演将首次受到地球引力效应的限制。“

爱因斯坦的相对论预测原子钟的滴答声，即原子振动的频率，在强引力下运行时会减小 - 向电磁波谱的红端移动。也就是说，时间在较低的高度上传递得更慢。

虽然这些所谓的红移会降低时钟的计时性能，但同样的灵敏度可以在其头部进行，以精确地测量重力。超灵敏时钟可以比以往更精确地映射时空的重力失真。应用包括相对论大地测量，它测量地球的引力形状，并检测来自早期宇宙的信号，如引力波，甚至可能是尚未解释的“暗物质”。

NIST的镱钟现在超过了传统的测量大地水准面的能力，或者基于潮汐测量海平面测量的地球形状。比较远离诸如不同大陆的这些时钟可以将大地测量解决到1厘米以内，优于几厘米的现有技术水平。

研究人员表示，在过去十年NIST和全球其他实验室公布的新时钟性能记录中，这篇最新论文展示了高水平的可重复性。此外，两个时钟的比较是评估性能的传统方法。

NIST最新的镱钟的改进包括热和电屏蔽，它们围绕原子以保护它们免受杂散电场的影响，使研究人员能够更好地表征和纠正由热辐射引起的频移。

镱原子是未来重新定义第二个 - 国际时间单位 - 在光学频率方面的潜在候选者。NIST的新时钟记录符合国际重新定义路线图的要求之一，与基于当前标准铯原子的最佳时钟相比，经过验证的精度提高了100倍，铯原子在较低的微波频率下振动。

NIST正在构建一种具有最先进性能的便携式镱晶格时钟，可以将其传输到世界各地的其他实验室进行时钟比较，并可以运行到其他地点以探索相对论的大地测量技术。

这项工作得到了NIST，美国国家航空航天局和国防高级研究计划局的支持。