激光穿过透明晶体并激发钍核。图片来源：James Terhune，Hudson Group，加州大学洛杉矶分校

近50年来，物理学家一直梦想着通过使用激光提高原子核的能量状态来解开秘密。这一成就将使今天的原子钟被核钟所取代，核钟将是有史以来最精确的时钟，从而实现深空导航和通信等进步。它还将使科学家能够精确地测量自然界的基本常数是否确实是恒定的，或者只是因为我们还没有足够精确地测量它们而看起来是恒定的。

现在，由加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授埃里克·哈德森（Eric Hudson）领导的一项努力已经完成了看似不可能的任务。通过将钍原子嵌入高度透明的晶体中并用激光轰击它，哈德森的团队成功地让钍原子的原子核像原子中的电子一样吸收和发射光子。这一惊人的壮举在发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中有所描述。

这意味着目前使用原子电子对时间、重力和其他场的测量可以以更高的精度进行。原因是原子电子受到环境中许多因素的影响，这会影响它们吸收和发射光子的方式并限制其准确性。另一方面，中子和质子在原子核内结合并高度集中，并且受到的环境干扰较小。

使用这项新技术，科学家们可能能够确定基本常数，例如设置将原子保持在一起的力强度的精细结构常数，是否发生变化。天文学的提示表明，精细结构常数在宇宙中或所有时间点可能都不一样。使用精细结构常数的核钟进行精确测量可以完全改写这些最基本的自然定律。

“核力是如此强大，这意味着原子核中的能量比你在电子中看到的能量强一百万倍，这意味着如果自然界的基本常数偏离，原子核中产生的变化会更大，更明显，使测量更加敏感，”哈德森说。

“使用核钟进行这些测量将提供迄今为止最灵敏的'恒定变化'测试，未来100年可能没有实验可以与之媲美。

Hudson的团队是第一个提出一系列实验，用激光刺激掺杂在晶体中的钍-229原子核，并在过去15年中致力于实现新发表的结果。让原子核中的中子对激光做出反应是具有挑战性的，因为它们被电子包围，电子很容易对光做出反应，并且可以减少实际能够到达原子核的光子数量。提高其能级的粒子，例如通过吸收光子，被称为处于“激发”状态。

加州大学洛杉矶分校的研究小组将钍-229原子嵌入富含氟的透明晶体中。氟可以与其他原子形成特别强的键，悬浮原子并像蜘蛛网中的苍蝇一样暴露原子核。电子与氟紧密结合，激发它们所需的能量非常高，允许低能量的光到达原子核。然后，钍原子核可以吸收这些光子并重新发射它们，从而可以检测和测量原子核的激发。

通过改变光子的能量并监测原子核被激发的速率，该团队能够测量核激发态的能量。

“我们以前从未能够用激光推动这样的核转型，”哈德森说。“如果你用透明晶体将钍固定在适当的位置，你可以用光与它交谈。

哈德森说，这项新技术可以在传感、通信和导航中需要极高精度计时的地方使用。现有的基于电子的原子钟是房间大小的装置，带有真空室，用于捕获原子和与冷却相关的设备。基于钍的核钟将更小、更坚固、更便携、更准确。

“没有人会对时钟感到兴奋，因为我们不喜欢时间有限的想法，”他说。“但是我们每天都在使用原子钟，例如，在使我们的手机和GPS工作的技术中。

除了商业应用之外，新的核光谱学还可以揭开宇宙中一些最大谜团的帷幕。对原子核的灵敏测量为了解其性质以及与能量和环境的相互作用开辟了一条新途径。反过来，这将使科学家测试他们关于物质，能量以及空间和时间定律的一些最基本的想法。

“人类，就像地球上的大多数生命一样，存在的尺度要么太小，要么太大，无法观察宇宙中真正发生的事情，”哈德森说。“从我们有限的角度来看，我们可以观察到的是不同规模、时间和能量的效应的集合，而我们制定的自然常数似乎在这个层面上保持不变。

“但是，如果我们能更精确地观察，这些常数实际上可能会有所不同。我们的工作已经朝着这些测量迈出了一大步，无论哪种方式，我相信我们都会对我们学到的东西感到惊讶。

“几十年来，对基本常数的日益精确的测量使我们能够更好地了解各个尺度的宇宙，并随后开发新技术来发展我们的经济并加强我们的国家安全，”NSF数学和物理科学理事会代理助理主任Denise Caldwell说。

“这种基于原子核的技术有朝一日可以让科学家如此精确地测量一些基本常数，以至于我们可能不得不停止称它们为'常数'。

更多信息：R. Elwell 等人，固态宿主中 Th229 核异构跃迁的激光激发，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.013201.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2404.12311

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv