“核时钟”的突破为超精确计时铺平道路

核时钟是一种通过测量原子核内微小的能量变化来计时的装置。这种时钟可以大大提高测量精度，并为基础物理学提供新见解。近日，科学家测量了导致稀有同位素钍-229原子核转移到更高能量状态的光的频率，即核时钟的“嘀嗒”声，发现其精度比之前最精确的时钟高出10万倍。该研究由美国实验天体物理联合研究所（JILA）的Jun Ye领导，9月5日发表于《自然》。

研究人员使用频率梳激光装置探测嵌入晶体中的钍-229原子核。图片来源：JILA

这一突破来自于科研人员用一种名为频率梳的激光装置探测了钍-229原子核。从技术上讲，该装置不是一个时钟，因为它还没有被用来测量时间。但美国特拉华大学的原子物理学家Marianna Safronova说，如此令人印象深刻的结果使开发核时钟成为可能。

德国汉诺威大学的理论物理学家Elina Fuchs说，对“嘀嗒”声的测量被证明在粒子物理学中很有用。由于时钟的频率是由将原子核结合在一起的基本力决定，因此原型机可以发现一种暗物质是否会在微小尺度上影响这些力。“这是了解核力量的一个新的直接窗口。”

世界上最好的时钟是原子钟，其使用激光来计时——光的频率被精确打磨，以匹配在原子内两个能级之间移动电子所需的能量。最精确的原子钟每400亿年只有一秒误差。核时钟的工作原理则略有不同——“嘀嗒”声对应于质子和中子的能量转换，而不是电子，因为它们会重新排列到激发态。

这种能量转移需要稍高的紫外线频率，从而产生更快的“嘀嗒”声，可以匹配或超过原子钟的精度。但核时钟最大的潜在优势是精度和稳定性的结合。原子核中的粒子对电磁场等干扰的敏感度低于电子，这意味着核时钟可以更便携且坚固。

但是，找到合适的原子核，并确定诱导其转变为不同能量状态所需的频率，对物理学家来说已经奋斗了50年。20世纪70年代，有间接证据表明，钍-229具有一种奇怪的低能核跃迁，这种跃迁最终可能由激光触发。但直到去年，科学家才发现了所需的频率。今年，他们才成功利用激光实现了这一转变。

JILA团队使用一种名为频率梳的系统，在嵌入晶体中的数万亿个钍-229原子中寻找跃迁频率。梳状结构输出一组间隔规则均匀的激光频率线。它允许研究人员一次用多个精确的频率照亮晶体来匹配，而不是使用单频激光在可能的选择范围内费力地扫描。

梳状设置——包括线条之间的间隙或“齿”的宽度，是使用原子钟校准的，可以调整。该团队进行了几次实验，当他们观察到钍-229原子从激发态衰变时明显发光，便使用这些设置计算驱动信号的频率。

“第一次观察到这种转变感觉很神奇。”JILA的物理学家张传坤（音）说，“我们整晚都在做所有测试，以检查这是否真的是我们正在寻找的信号。”

Fuchs说，如果一个时钟的“嘀嗒”速度相对于另一个时钟随时间而变化，这可能表明决定能级的因素——如强大的核力或电磁力，正在漂移或摆动。某些质量极低的暗物质预计会产生这种效果。

力的任何变化都会在核跃迁频率中被放大，这使得核时钟对这种暗物质的敏感性可能比原子时钟高约1亿倍。Fuchs说，最新结果精确到小数点后13位的频率，已经足够精确，可以缩小光暗物质可能存在的能量范围。她补充说，核物理学也可以从更精确的跃迁频率中受益，帮助科学家区分钍-229原子核的可能形状。

但是，在核时钟能够超越原子钟之前，还需要做更多工作。原子钟目前精确到小数点后19位。研究人员会探索将钍-229嵌入晶体中是否会成为最精确的计时器，或者捕获单个原子是否会产生更好的结果。