不起眼的钟表带来了巨变：超精密核钟的新时代即将开启

2024年9月4日，叶军教授、张传坤团队在核钟的突破性研究成果以题为 发表在Nature 上，并被选为当期封面，从投稿到接收仅仅27天。同日，Science News也以 为题报道了该项成果。‍‍‍‍‍‍‍‍‍

基于原子核能级跃迁的计时器有望更稳定、更便携，并协助探索新的物理现象。

▲一个掺有钍原子的微小晶体成为新型钟表的核心。（TIAN 001）

原子钟是精确计时的巅峰之作，被用来定义秒，应用于GPS及通讯网络中。但这种状况可能不会持续太久。通过精准地观察原子核中的特定能级跃迁，研究人员离制造出一种新型计时器——核钟，更近一步。这种装置在精度和稳定性上超越了现有的最先进的原子钟，激发了科学家们用它们探测暗物质及其他基本物理问题的兴趣。

共同作者、JILA的物理学家叶军表示，2024年9月4日在《自然》杂志上发布的新研究，标志着研究人员首次将核钟的所有部分“同时运行”。JILA是由美国国家标准与技术局和科罗拉多大学博尔德分校资助的联合研究中心。

德国国家计量实验室PTB的物理学家埃克哈德·佩克（Ekkehard Peik）称“他们迈出了实质性的一步”。“这个领域的发展迅速，势头强劲，真是令人惊叹”，鲁汶大学的物理学家桑德罗·克莱默（Sandro Kraemer）说。

原子钟依赖于原子中电子云的能级跃迁。通过特定频率的微波或激光使电子跃迁到更高的能量状态。这些电子跃迁稳定了激光或微波的振荡，提供钟表的“滴答”（时间脉冲）——每秒达数十亿甚至数万亿次。

核钟则提供了改进的潜力，因为使原子核中的质子和中子跃迁到更高能级需要更高频率的激光，让时间测量更加精细。更重要的是，原子核对外部电场和磁场没有电子那么敏感，使得核钟本质上更稳定。但大多数原子核的激发能量过高，激光无法达到。

然而，钍有一个异常低的能量跃迁。2003年，佩克和他在PTB的同事克里斯汀·塔姆提议以钍作为钟的基石。“我们非常幸运，自然界赠予了我们这种原子核”，克莱默说。

要开发一种能激发钍核的激光，研究人员需要准确知道钍-229的激发能量。直到去年，欧洲粒子物理实验室CERN的团队才检测到钍-229从激发态衰变到基态时发出的光子，并测量了它们的能量：约8.4eV（eV指电子伏特）。今年早些时候，佩克和他的同事改进了测量方法：搭建一台紫外激光器，将钍-229激发到激发态，并在大约10分钟后检测到其回落至基态时发射的光，进一步将其激发能量精确到 8.35574 eV，并确定了相应的激光频率约为 2020 太赫兹。

但这仍然不够精确，无法制造准确的钟表。因此，叶军及其同事决定使用光频梳来精确搜索，它可以产生100,000个稳定且精密分开的频率——仿佛一把梳子上的“齿”。

JILA的研究人员将光频梳对准了一个砂粒大小的氟化钙晶体，其中嵌入了数百兆钍-229原子。他们缓慢调整光频梳的频率线，扫描频率范围。5月的一天接近午夜时，JILA的研究生张传坤发现光频梳线击中了目标，触发钍发出特征性光子。他立即通知了同事们，大家都赶回实验室。“没人能睡得着。”他说。

▲一组精细划分的紫外激光频率确定了钍-229的能量跃迁（张传坤）

光频梳使研究人员将激光跃迁频率的测量精度大大提高，比佩克团队之前的测量要精确约一百万倍。由于该频率线与光频梳上的其他频率线完全连接，他们能够将激光与世界上最准确的原子钟之一（基于锶原子）关联起来。这一连接提供了核钟性能的关键数据，并协助了团队探测核跃迁。未来，这种连接可能对将核钟整合到现有的计时系统中有帮助。但要开发一台可操作的时钟，激光必须与核跃迁进行稳定匹配。张传坤说，做到这一点是“小事一桩”，但这还不足以制造出更精确的时钟。

理论上，基于晶体中钍原子的钟表将比现有的原子钟更稳定、更便携，因为现有原子钟需要使用电磁阱和额外的激光系统来冷却和固定原子。这种钟表可以用于探测引力对时间的影响——研究表明，相隔仅1毫米的时钟由于所受引力的微小差异，其运转速率也会有所不同。甚至引力波经过，或火山爆发前地下岩浆移动引起的细微变化，这种精确的计时器可以都可以检测到。

核钟的另一个令人期待的物理应用是寻找暗物质的候选粒子，看不见的暗物质被认为构成了宇宙质量的85%。许多模型提出超轻的暗物质粒子会直接与强核力相互作用，强核力即将质子和中子束缚在原子核中的吸引力。如果这些粒子与钍核相互作用，它们将扰乱跃迁频率，以可检测的方式影响钟表。“这是我们第一次直接接触强相互作用领域，”莱布尼茨大学汉诺威的理论物理学家Elina Fuchs说。“这扇窗口一直紧闭，偶尔能隔窗观望，而现在它敞开了。”

这项工作已经在前所未有的细节上揭示了原子核的行为。JILA的测量有证据表明，原子核如钍在激发态和基态之间移动时会突然地膨胀和收缩。叶军说：“核物理从未被非常精确地测量过，因为我们没有这种能力。”

现在，要感谢那些不起眼的钟表带来了改变。“最容易测量的物理量就是频率，”叶军说。“这就是为什么钟表是人类制造的最佳科学仪器。”

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