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現(xiàn)在，任何一個擁有智能手機(jī)的人都可以輕松地確定自己的時間和位置。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的廣播時鐘信號的誤差已經(jīng)低至千萬分之一秒。這些時間信號載有確認(rèn)精確位置的信息：時間信號近乎以光速傳播（除了大氣折射可能對其速度造成的極小變化），通過對比多個衛(wèi)星的信號，我們就能將位置精確到幾米的誤差內(nèi)。也正因?yàn)?GPS 的精確性，讓諸如地震監(jiān)測，無人機(jī)交付等許多應(yīng)用領(lǐng)域得以改變與發(fā)展。
不過，GPS 并不能解決所有的時間問題。GPS 的系統(tǒng)核心是攜載在每個衛(wèi)星上的原子鐘——世界上最精確的計(jì)時系統(tǒng)。雖然原子鐘非常穩(wěn)定，也經(jīng)常與國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的地面原子鐘進(jìn)行定期校準(zhǔn)，但由于在將時間信號傳輸給用戶的過程中，存在著一些有意無意的干擾或太陽風(fēng)暴，建筑物反射等因素，GPS 仍會出現(xiàn)許多失效的情況。
那么，如果我們能縮小這種精確原子鐘的大小，并將其放置到手機(jī)等 GPS 接收器中的話，情況又會如何呢？
最近，牛津大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters) 上的研究表明，利用 N@C60（@ 表示碳籠包裹著氮原子）可以制造出手機(jī)上使用的原子鐘，而且這種原子鐘可以不受磁場的影響，這一發(fā)現(xiàn)對將原子鐘集成于芯片的目標(biāo)具有新的里程碑意義。一旦成功，這種便攜式原子鐘還能使無人駕駛汽車的 GPS 導(dǎo)航精確到 1 毫米。
研究者也表示，希望在不久的將來能生產(chǎn)出來這樣的原子鐘，它或許可以取代目前幾乎所有電子設(shè)備中都要用到的石英振蕩器。
值得一提的是，用以制造便攜式原子鐘的 N@C60 價格非常驚人，每克價格超過了 2 億美元。
圖 | 從左至右：振蕩器，吸收效率，相應(yīng)媒介，頻率，探測器，反饋信號
原子鐘工作機(jī)制
世界上最貴的材料
為什么會用到價格如此昂貴的材料才能制成？我們首先需要了解原子鐘的原理。
原子鐘的主要特征是只吸收固定頻率的光子能量，其工作機(jī)制并不復(fù)雜。首先是由一個電子振蕩器發(fā)出與原子鐘原子的能級非常接近的微波頻率。如果振蕩器與正確的頻率稍有偏差，吸收就會發(fā)生變化，此時激光會檢測到這一變化，并利用激光信號對振蕩器進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。這個反饋環(huán)節(jié)就能修正振蕩器的缺陷，從而讓振蕩器得到與原子相同的震動頻率，進(jìn)而控制鐘的走動。
與擺鐘和手表的機(jī)械機(jī)制不同，原子不受到制造誤差或磨損的影響。在適當(dāng)?shù)母綦x環(huán)境下，其共振頻率僅由物理定律決定。但在實(shí)際中，對于最好的原子鐘，其需占據(jù)整個房間才能達(dá)到有效的隔離度，而商業(yè)的原子鐘通常也要一個手提箱大小。
圖 | 位于德國布倫瑞克的銫原子鐘
但是科學(xué)家仍然在縮小原子鐘體積上邁出了一步。早在 2004 年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的科學(xué)家們就已成功地將原子鐘壓縮進(jìn)了幾毫米高的組件中。這種'芯片級'的原子鐘現(xiàn)已商業(yè)化，并應(yīng)用于軍事通信和水下導(dǎo)航等小眾領(lǐng)域。
但是這種小型化代價巨大。
除了制造成本高之外，由于真空室的微小尺寸使得大量的原子與真空腔壁發(fā)生相互作用，導(dǎo)致時鐘頻率會發(fā)生微小變化，而其中的氣相加熱器也需要消耗便攜設(shè)備的大量功率。因而，這種'芯片級'的原子鐘還需很長時間才能應(yīng)用到手機(jī)中。
幸運(yùn)的是，早在 2008 年，論文的作者、來自牛津大學(xué)的 Andrew Briggs 以及 Arzhang Ardavan 就為我們提供了另外的一種方案，即利用天然的牢籠——富勒烯替代真空腔來隔離原子，這種方法可以很好地解決原子與真空腔壁發(fā)生作用的問題。
富勒烯這類物質(zhì)非常神奇，任何由碳一種元素組成且呈現(xiàn)球狀、橢圓狀或管狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，都屬于富勒烯。作為單質(zhì)碳的第三種同素異形體，富勒烯也被認(rèn)為是'全世界第二貴'的物質(zhì)，比鉆石更稀有。三位富勒烯的發(fā)現(xiàn)者也于 1996 年獲得諾貝爾獎。
富勒烯結(jié)構(gòu)中最為特殊的性質(zhì)是其碳籠內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，因此可以在其內(nèi)部空腔內(nèi)嵌某些特殊物種 (原子、離子或原子簇)，由此而形成的富勒烯被稱為內(nèi)嵌富勒烯。
內(nèi)嵌富勒烯這一分子似乎無視了一般的化學(xué)鍵理論，一個原子或一個較小的分子可以在不與殼層結(jié)合的情況下進(jìn)入富勒烯內(nèi)部，從而遠(yuǎn)離周圍環(huán)境的影響，而且以這種方式填充后的原子籠仍可保持著類似空富勒烯的性質(zhì)。
這類內(nèi)嵌富勒烯中最有名的當(dāng)屬 N@C60，它由一個氮原子和具有 60 個碳原子的富勒烯（C60）構(gòu)成，總體看起來就像一個足球。氮原子在 C60 中看似處于漂浮的狀態(tài)，因而很好的保留住了其原子特性。像氦和氖等惰性氣體也可以包裹進(jìn) C60 中，不過它們過于'懶惰'并不像氮表現(xiàn)的那么活潑，畢竟氮可是已知的幾種最活潑元素之一。另外事實(shí)上，氮也被證明是制造精確原子鐘的關(guān)鍵。
圖 | 被填充的富勒烯：60 個碳原子（灰色）構(gòu)成空富勒烯牢籠，其中“囚禁”著一個氮原子（藍(lán)色）。這種結(jié)構(gòu)排列可以防止氮原子受到磁性干擾，使其能充當(dāng)原子鐘的基礎(chǔ)核心進(jìn)行著穩(wěn)定共振。
考慮到氮的活性，像 N@C60 這樣的分子一般是不能天然存在的，但是，還是有一些方法可以合成這種分子。就好像強(qiáng)迫水往高處流一樣，推動氮原子進(jìn)入碳籠在熱力學(xué)上是不傾向的，因而這些方法都需要在極端的環(huán)境下進(jìn)行。不過，一旦該分子形成，富勒烯籠就能隔離并穩(wěn)定住氮原子，該合成產(chǎn)物的就可被收集和儲存。
在牛津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，研究人員用離子注入的方法來制造該分子。研究者將富勒烯放在真空腔中加熱氣化，氣相化的富勒烯漂浮在一個靶材表面上，之后 C60 薄膜就會漸漸的在這一表面長成。在 C60 薄膜生長的過程中，氮離子會被發(fā)射到薄膜表面，其中的一些氮原子就會被捕獲在 C60 薄膜上，從而得到了我們想要的分子。不過，這一方法的產(chǎn)量非常低：每產(chǎn)生大約 1 萬個無氮 C60 分子，才產(chǎn)生一個 N@C60 分子。
圖 | 左：膜厚監(jiān)測器，離子源，氮?dú)猓∟2）進(jìn)口，氮離子（N ）束，瀉流室，發(fā)熱元件；右：銅靶，靶材冷卻用水，真空腔，氣相富勒烯
制備過程：研究者把碳富勒烯放在真空腔中加熱至氣相，隨后當(dāng) C60 富勒烯遇到相對較冷的銅靶時，就會凝結(jié)成膜。與此同時，該裝置將氮離子注向靶材，從而使得離子能進(jìn)入'碳籠'之中。
另外 N@C60 和 C60 在化學(xué)上近乎完全相同，因而提純是頗有困難的。不過，由于在分子質(zhì)量和極化率方面存在著微小的差別，這意味著可以通過應(yīng)用高壓液相色譜（HPLC）的技術(shù)來分離它們，利用高壓泵剝離碳富勒烯薄膜，含有氮原子的富勒烯相對能更快的被剝離出來，經(jīng)過多次循環(huán)，最后就能完全的將少數(shù) N@C60 從混合物中分離出來。
從 2004 年開始，牛津大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就首先發(fā)展了該技術(shù)，并且這一方法仍舊被團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的 Designer Carbon Materials 公司所應(yīng)用。該公司是 2014 年從牛津大學(xué)脫離出來的，現(xiàn)已開始向世界各地的研究機(jī)構(gòu)出售 N@C60 等定制內(nèi)嵌富勒烯，價格正是上面提到的每克價格約 2 億美元。
N@C60 原子鐘——手機(jī)時間的新大門
了解了 N@C60 制備和分離后，那如何制作 N@C60 原子鐘呢？
首先，研究人員從振蕩器開始，產(chǎn)生一個接近氮?dú)馕疹l率的無線電信號。然后將信號傳輸?shù)胶?N@C60 分子的物質(zhì)中 (可能是粉末或者是溶液)，對于調(diào)節(jié)到正確頻率的振蕩器，其發(fā)出的信號能量會被吸收，而如果相對吸收功率減少的話，那么我們就能知道振蕩器已經(jīng)偏離了目標(biāo)頻率。利用這一反饋機(jī)制，振蕩器可以重新被調(diào)節(jié)到最佳頻率狀態(tài)。
圖 | 溶解的富勒烯: 溶液形態(tài)的純凈的捕獲到氮原子的富勒烯。
圖 | 顆粒物: 干燥后的含氮富勒烯看起來像普通煤煙。
由于原子鐘的頻率是精確已知的，所以只需簡單地計(jì)算穩(wěn)定振蕩器周期就能得到原子鐘的精確時間基準(zhǔn)。另外，研究者也掌握了如何利用探測器對振蕩器進(jìn)行監(jiān)測以及反饋修正的機(jī)制。如果振蕩器設(shè)置的頻率正確，那么反饋輸出的修正為 0，而如果振蕩器偏離正確頻率，那么修正信號的正負(fù)號就會告知研究者到底是向著共振頻率的哪測發(fā)生了偏離。
N@C60 這樣的內(nèi)嵌富勒烯是很優(yōu)秀的參考材料。正如研究者在 2006 年的研究中展示的，相比其他分子，N@C60 在其量子自旋態(tài)之間的躍遷有著最精確的頻率。如果你畫出材料對激發(fā)輻射的響應(yīng)圖，你會發(fā)現(xiàn) N@C60 在共振頻率處顯示了一個很窄的峰。
不過，雖然富勒烯籠能防止容器壁影響原子共振頻率，但是磁場卻可以穿透富勒烯籠而改變相關(guān)的頻率。如今的世界到處都是不受控制的磁場，從電動機(jī)、汽車到地球本身都會發(fā)出磁場，因此成功避免掉這些磁場的影響，才是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的原子鐘的關(guān)鍵。
Briggs 和 Ardavan 在當(dāng)時的研究中就發(fā)現(xiàn)，對于 C60 分子，施加一個小的靜態(tài)磁場就可以調(diào)節(jié)能級，從而使得磁共振頻率的影響可以被相互抵消掉。而今，他們發(fā)現(xiàn)的 15N@C60 的能級可以不受磁場噪聲的影響，這一發(fā)現(xiàn)對實(shí)現(xiàn)集成原子鐘于芯片的目標(biāo)意義重大。
不過目前，他們還沒有把這種材料整合到他們的時鐘原型中，但是他們正準(zhǔn)備盡快實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
便攜計(jì)時器的革命
當(dāng)然，我們最希望看到的是有那么一天能把完整的原子鐘集成到一塊芯片中。這種設(shè)想將基于射頻電子學(xué)器件來實(shí)現(xiàn)，這樣就無需傳統(tǒng)原子鐘所用到的光學(xué)元件。
而且，不同于氣相原子鐘需要真空腔和大功耗的加熱器，基于富勒烯的原子鐘將會變得輕巧、高效且節(jié)能。不久它或許可以取代目前幾乎所有電子設(shè)備中都要用到的石英振蕩器來保持時間。
從歷史上角度來看，每一代便攜計(jì)時器都給應(yīng)用帶來新的可能性。早期的應(yīng)用很可能會利用這種原子鐘充當(dāng)精密頻率合成器。例如，在現(xiàn)今的無線通信中，將多路信道復(fù)用成一個頻帶需要每個發(fā)射機(jī)嚴(yán)格地保持其指定的載波頻率，這就是為什么現(xiàn)有的一些手機(jī)塔必須裝載原子鐘的原因。隨著未來諸如物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，我們將進(jìn)入有限頻譜的時代，那么便攜式的、穩(wěn)定的時鐘將變得越來越必要。
出于同樣的原因，GPS 接收器將受益于這樣的機(jī)載時鐘。由于載有時間信息的 GPS 信號來自于衛(wèi)星，因而在傳輸過中它會變得非常微弱，微弱程度相當(dāng)于一個燈泡傳輸過整個大陸后的剩余能量，再加上地形、建筑物、干擾等因素，其信號就會變得更弱，因此為了跟蹤這個微弱的信號，信號接收機(jī)必須要精確地鎖定其特定的廣播頻率，而當(dāng)接收器中裝有原子鐘的時候，其頻率的基準(zhǔn)就會變得更穩(wěn)定，跟蹤速度也就越快，從而大大得提高了信號追蹤得可靠性。
而在戰(zhàn)場這樣的敵對環(huán)境中，穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率就變得更為重要。在這種環(huán)境下，GPS 信號極易受到高效干擾器的干擾，尤其在未來戰(zhàn)爭中，這一情況將變得更為普遍。而如果擁有精確定時信息的 GPS 接收機(jī)的話，就可以隔離掉干擾機(jī)的干擾噪聲，從而得到真實(shí)信號。甚至在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)被局部破壞的情況下，導(dǎo)航系統(tǒng)也可以在這種接收器的協(xié)助下正常運(yùn)行。
如今的 GPS 接收器還須同時使用四個以上的衛(wèi)星的信號來確定它的位置，但一個帶有足夠精確度的原子鐘接收器使用一個衛(wèi)星的連續(xù)信號就可以確認(rèn)位置，這一特性也加強(qiáng)了它在軍事防御方面的應(yīng)用，比如跳頻通信、雙基地雷達(dá)以及對敵方通信的靈敏監(jiān)視等。基于這些軍事方面的優(yōu)異性，已有多個國家對這種便攜式原子鐘產(chǎn)生了極大的興趣。
最終，這種便攜式原子鐘可能會有全方面的新應(yīng)用，例如倉庫、郵局，甚至地鐵都可以使用小型無線基站來建造自己的本地定位系統(tǒng)。包裹、設(shè)備和人員都可以被跟蹤，從此不再需要任何人去簽收包裹或不停的去記錄它的位置。另外無人駕駛汽車也能從中受益，該設(shè)備能讓無人車保持非常精確的時間來應(yīng)對諸如隧道等 GPS 信號不可用的情形。
現(xiàn)在，就內(nèi)嵌富勒烯而言，這一材料已經(jīng)開始出現(xiàn)在市場上了。位于佛羅里達(dá)州杰克遜維爾的科技公司 LocatorX 已獲得牛津原子鐘專利的授權(quán)，并正不斷開發(fā)它使其用于商業(yè)用途。
不過，要實(shí)現(xiàn)以上這些可能性就必須要滿足諸多因素。首先，要優(yōu)化原子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，不管溫度、磁場和化學(xué)環(huán)境如何變化，其頻率波動必須控制在百萬分之一的范圍內(nèi)。其次是小型化，即能將所需的樣品，磁體和射頻電子元件集成到芯片尺度的設(shè)備中。另外則是要實(shí)現(xiàn)低能耗。最后，是要實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌富勒烯的工業(yè)化大生產(chǎn)，而不是目前毫克量級的產(chǎn)量。
要想能完全將小型原子鐘納入日常設(shè)備，我們還需要將科學(xué)和工程的許多不同的領(lǐng)域發(fā)展推向至極限。而于此對應(yīng)的回報是也將是非常巨大的，我們期待有那么一天，以富勒烯為核心的原子鐘能出現(xiàn)在我們的生活中。
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