I. Квантово-механические основы переходов атомных энергетических уровней

Механизм перехода энергетического уровня

Когда электроны внутри атома переходят между различными энергетическими состояниями (основным состоянием и возбужденными состояниями), они поглощают или испускают электромагнитное излучение.

Волны определенных частот. Такие частоты перехода определяются законами квантовой механики и обладают чрезвычайно высокой стабильностью. Для

Например, цезиевые атомные часы используют частоту перехода (9 192 631 770 Гц) между двумя сверхтонкими уровнями энергии атома цезия-133 в качестве

ссылка.

Принцип обнаружения резонанса

Путем регулировки частоты внешнего электромагнитного поля (например, микроволн или лазеров) в соответствии с собственной частотой перехода атома.

Когда резонанс достигнут, атом поглотит большое количество энергии и претерпит переход энергетического уровня. В это время система обнаружения

фиксируется на этой частоте как на точке отсчета времени.

II.Пути внедрения ключевых технологий

Различия между микроволновыми и оптическими часами

Микроволновые часы (например, цезиевые атомные часы) используют микроволновый диапазон (около 9 ГГц) для стимуляции атомных переходов с точностью, достигающей

ошибка в 1 секунду за каждые 20 миллионов лет.

Оптические часы (например, часы на оптической решетке стронция) используют оптические частоты (около 429 ТГц), что повышает точность до погрешности в 1 секунду за 30 секунд.

миллиард лет. Они преобразуют высокочастотные оптические сигналы в счетные низкочастотные сигналы с помощью технологии оптической частотной гребенки.

Система управления с обратной связью

Атомные часы содержат замкнутую систему регулировки: генератор генерирует начальную частоту → атомный резонансный резонатор обнаруживает

пик поглощения → цепь обратной связи корректирует частоту генератора → наконец, выводится стабильный сигнал. Например, цезиевый фонтан NIST-F2

Часы достигают стабильности порядка E-16 благодаря технологии микроволнового резонанса.

III. Научные прорывы в улучшении производительности

Выбор материала

Цезий (Cs) и рубидий (Rb) стали лучшим выбором из-за их четких структур энергетических уровней и стабильных частот переходов. В 2025 году

Новые рубидиевые часы Китая улучшили стабильность второго уровня до E-14 (одна часть на квадриллион), а оптические решетчатые часы на основе стронция могут даже

достичь погрешности в 1 секунду за миллиарды лет.

Технологическая эволюция

От первых атомных часов в 1948 году до космических холодных атомных часов, установленных на борту «Тяньгун-2» в 2016 году, а затем и до квантовых часов, разработанных в Великобритании.

В 2025 году технологический путь развился от макроскопических устройств до интеграции на уровне чипов.

IV.Сценарии применения и стратегическое значение

Высокая точность атомных часов делает их основными компонентами спутниковых навигационных систем (таких как GPS и Beidou), позволяя определять местоположение.

через ранжирование времени. Кроме того, такие области, как исследование дальнего космоса, синхронизация финансовых транзакций и синхронизация сетей 5G

все они полагаются на наносекундный уровень отсчета времени, обеспечиваемый атомными часами.