中大自主精密儀器實驗 燃起「二級光鐘」希望

測量光的頻率,把「光」當作計時的未來,一直是人類偉大的夢想之一。中央大學物理系專案副教授鄭王曜團隊,投入長達十年時間研發自主精密儀器,利用光頻率梳雷射,量出銫原子某雙光子吸收光譜的絕對頻率,更新了文獻上記載,點燃了「二級光鐘」的夢想。這項卓越成果投稿於美國光學學會(OSA)頂尖期刊Optics Letters,而獲得OSA的高度肯定該文具有極大的意義,因此專文介紹台灣這項實驗,收錄於2013年8月《Spotlight on Optics》。

測量光的頻率之突破 國際矚目焦點

美國光學學會(OSA)為世界最具聲望的光學組織,2009年推出《Spotlight on Optics》,每個月針對光學的六大領域,從世界挑選出創新且具前瞻的論文,由權威專家作評論介紹,在「光與物質交互作用」領域,台灣首次入選。

文中提及,十三年前德國Ted Haensch及美國Jan Hall因為「光頻率梳雷射」的發明,使得光頻得以被輕鬆測量,因而榮獲諾貝爾物理獎之肯定。如今美國國家標準局已經可以讓雷射光頻的穩定度到達0.001赫茲,稱之為「超穩雷射」(ultra-stable laser)。

曾於美國國家標準局與科羅拉州大學合作的機構(JILA),為諾貝爾獎得主Jan Hall的博士後研究員的鄭王曜教授,十年前回國,默默耕耘,從東華大學、中研院到中央大學一路輾轉,在中大前研發長朱延祥的大力支持下,在中央大學成立「光梳雷射光譜實驗室」,投入自主儀器研發,並培養優秀人才。

鄭教授團隊在非常有限的資源下,利用光頻率梳雷射,成功量測到銫原子6s到8s躍遷波長822nm的絕對頻率。他們量得的頻率,與諾貝爾諾獎得主 Ted Hanesch實驗室量得的不同,並解釋了他們實驗室可能的盲點。對於光鐘的推廣(二級光鐘,secondary standard),具有意義重大的衝擊(significant implications)。

光鐘的推廣 燃起一線希望

鄭王曜教授說,當前人類面臨一個重要的抉擇,如果超穩雷射,已經對民生應用與基礎物理,有如此重大的革命,是否該捨棄微波頻率的銫原子鐘,而用「光」來當人類的時鐘,或說「光鐘」?

但是,時鐘的定義,影響甚巨,它必須通過三個考驗,包括光鐘是否客觀?光鐘是否能長年運轉?以及光鐘的定義是否能推廣。這三者只要缺一個,光鐘取代銫原子鐘便不可行。前兩者都有待克服,但光鐘的推廣,因為他們的實驗,讓光鐘不再侷限於特定實驗室,因而有了推廣的可能性。

目前物理上最尖端的武器之一,第一級光鐘,已可量測地殼微弱的變動,造成測地學(geodesy)革命。更不用說它促成了新一代的干涉儀及光通訊頻標及全球定位系統(GPS)。在基礎物理,它可以用最少的錢來檢驗高能物理理論,尤其那些讓愛因斯坦非常困惑的物理現象(如宇秤不守恆)。光鐘的推廣,可望帶來科學遠大的影響。

耐心等候 十年磨一把劍

「十年磨一把劍。」鄭王曜分享一路走來的心路歷程。之能夠有所突破,靠的就是穩紮穩打的基本功,他們長期專注在精密儀器上作研發,對於超穩雷射、電光調製器和電路安排,有了掌控和駕馭能力,可做出絕佳的靈敏度,可信度可達量子力學的極限。

所謂「工欲善其事,必先利其器」,四百多年前,天文學家伽利略將望遠鏡磨得非常精準,意外看見四個衛星繞著木星運轉,證明並非所有的天體都繞著地球轉,駁斥了教廷宣揚的「地心說」。鄭王曜就是抱持著相同的好奇心,長期投入精密儀器的鑽研,希望檢驗所有的物理定律是否合理。

人類對時間的定義,決定未來科學發展,而光鐘的發展,未來將是一場重要的科學戰役,大陸預估花十億人民幣積極發展一級光鐘及應用,台灣在此關鍵時刻,能在非常限的資源下,「小兵立大功」,誠屬不易。