强大的激光照射到气体射流中，产生明亮的等离子体并产生紫外线。当光与真空室中的剩余气体相互作用时，它会留下一条可见的白线。这个过程有助于科学家精确测量激发钍 229 原子核所需的能量，钍 229 原子核是未来核钟的核心。图片来源：Chuankun Zhang/JILA
世界通过原子钟的滴答声来计时，但正在开发的新型时钟——核钟——可能会彻底改变我们测量时间和探索基础物理学的方式。
由美国国家标准与技术研究院 （NIST） 和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所 JILA 的科学家领导的一个国际研究小组展示了核钟的关键要素。核钟是一种新型的计时装置，它使用来自原子核或原子核的信号。
该团队在 9 月 4 日的《自然》杂志上以封面故事的形式展示了研究结果。
该团队使用专门设计的紫外激光器来精确测量嵌入固体晶体中的钍核中能量跃迁的频率。他们还使用了光学频率梳，它的作用就像一把极其精确的光尺，来计算产生这种能量跳跃的紫外线波周期数。虽然这个实验室演示不是一个完全开发的核钟，但它包含了一个核心技术。
核钟可能比目前的原子钟准确得多，原子钟提供官方国际时间，并在 GPS、互联网同步和金融交易等技术中发挥着重要作用。
对于公众来说，这一发展最终可能意味着更精确的导航系统（带或不带 GPS）、更快的互联网速度、更可靠的网络连接和更安全的数字通信。
除了日常技术之外，核钟还可以改进对宇宙如何运作的基本理论的测试，从而有可能带来物理学的新发现。它们可以帮助检测暗物质或验证自然界的常数是否真的恒定，从而可以在不需要大规模粒子加速器设施的情况下验证粒子物理学中的理论。
激光精准计时原子钟通过将激光调谐到导致电子在能级之间跳跃的频率来测量时间。核钟将利用原子微小的中心区域（称为原子核）内的能量跳跃，称为质子和中子的粒子在这里挤在一起。
这些能量跳跃很像拨动电灯开关。具有这次跳跃所需的确切能量的闪亮激光可以翻转这个核“开关”。
核 clock 在 clock 精度方面具有主要优势。与原子钟中的电子相比，原子核受杂散电磁场等外部干扰的影响要小得多。在原子核中引起能量跳跃所需的激光频率比原子钟所需的频率高得多。
这种更高的频率（意味着每秒更多的波周期）与每秒更多的“滴答声”直接相关，因此会导致更精确的计时。
但要创建一个核时钟非常困难。为了实现能量跳跃，大多数原子核需要被相干 X 射线（一种高频形式的光）击中，其能量远大于当前技术所能产生的能量。因此，科学家们将注意力集中在钍 229 上，这种原子的原子核的能量跃迁比任何其他已知原子都小，需要紫外线（能量低于 X 射线）。
1976 年，科学家们发现了这种钍能量跃迁，在物理学语言中被称为“核跃迁”。2003 年，科学家们提议利用这种跃迁来创造一个时钟，直到 2016 年他们才直接观察到它。今年早些时候，两个不同的研究团队使用他们在实验室中创建的紫外激光器来拨动核“开关”并测量其所需的光波长。
在这项新工作中，JILA 研究人员和他们的同事创造了时钟的所有重要部分：提供时钟“滴答声”的钍 229 核跃迁、在原子核的各个量子态之间产生精确能量跳跃的激光，以及用于直接测量这些“滴答声”的频率梳。
这项工作已经实现了比以前基于波长的测量高 100 万倍的精度水平。此外，他们将这个紫外线频率直接与世界上最精确的原子钟之一中使用的光学频率进行了比较，该原子钟使用锶原子，在核跃迁和原子钟之间建立了第一个直接的频率联系。
这种直接的频率链接和精度的提高是开发核钟并将其与现有计时系统集成的关键一步。
这项研究已经取得了前所未有的成果，包括能够观察到钍核形状的细节，这是以前从未有人观察到的——这就像从飞机上看到单独的草叶一样。
迈向核能未来虽然这还不是一个正在运行的核时钟，但它是朝着创建这样一个既便携又高度稳定的时钟迈出的关键一步。使用嵌入固体晶体中的钍，再加上原子核对外部干扰的敏感性降低，为潜在的紧凑和坚固的计时设备铺平了道路。
“想象一下，即使你让它运行数十亿年，它也不会损失一秒钟，”NIST 和 JILA 物理学家 Jun Ye 说。“虽然我们还没有完全达到那个水平，但这项研究使我们更接近那个精确水平。”
研究团队包括来自 NIST和科罗拉多大学博尔德分校联合研究所 JILA 的研究人员;维也纳量子科学与技术中心;和 IMRA America， Inc.
更多信息：Chuankun Zhang，229mTh 异构跃迁和 87Sr 原子钟的频率比，Nature （2024）。DOI：10.1038/s41586-024-07839-6。www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6
期刊信息： Nature
