“核時鐘”的突破為超精確計時鋪平道路

核時鐘是一種通過測量原子核內微小的能量變化來計時的裝置。這種時鐘可以大大提高測量精度，并為基礎物理學提供新見解。近日，科學家測量了導致稀有同位素釷-229原子核轉移到更高能量狀態的光的頻率，即核時鐘的“嘀嗒”聲，發現其精度比之前最精確的時鐘高出10萬倍。該研究由美國實驗天體物理聯合研究所（JILA）的Jun Ye領導，9月5日發表于《自然》。

研究人員使用頻率梳激光裝置探測嵌入晶體中的釷-229原子核。圖片來源：JILA

這一突破來自于科研人員用一種名為頻率梳的激光裝置探測了釷-229原子核。從技術上講，該裝置不是一個時鐘，因為它還沒有被用來測量時間。但美國特拉華大學的原子物理學家Marianna Safronova說，如此令人印象深刻的結果使開發核時鐘成為可能。

德國漢諾威大學的理論物理學家Elina Fuchs說，對“嘀嗒”聲的測量被證明在粒子物理學中很有用。由于時鐘的頻率是由將原子核結合在一起的基本力決定，因此原型機可以發現一種暗物質是否會在微小尺度上影響這些力。“這是了解核力量的一個新的直接窗口。”

世界上最好的時鐘是原子鐘，其使用激光來計時——光的頻率被精確打磨，以匹配在原子內兩個能級之間移動電子所需的能量。最精確的原子鐘每400億年只有一秒誤差。核時鐘的工作原理則略有不同——“嘀嗒”聲對應于質子和中子的能量轉換，而不是電子，因為它們會重新排列到激發態。

這種能量轉移需要稍高的紫外線頻率，從而產生更快的“嘀嗒”聲，可以匹配或超過原子鐘的精度。但核時鐘最大的潛在優勢是精度和穩定性的結合。原子核中的粒子對電磁場等干擾的敏感度低于電子，這意味著核時鐘可以更便攜且堅固。

但是，找到合適的原子核，并確定誘導其轉變為不同能量狀態所需的頻率，對物理學家來說已經奮斗了50年。20世紀70年代，有間接證據表明，釷-229具有一種奇怪的低能核躍遷，這種躍遷最終可能由激光觸發。但直到去年，科學家才發現了所需的頻率。今年，他們才成功利用激光實現了這一轉變。

JILA團隊使用一種名為頻率梳的系統，在嵌入晶體中的數萬億個釷-229原子中尋找躍遷頻率。梳狀結構輸出一組間隔規則均勻的激光頻率線。它允許研究人員一次用多個精確的頻率照亮晶體來匹配，而不是使用單頻激光在可能的選擇范圍內費力地掃描。

梳狀設置——包括線條之間的間隙或“齒”的寬度，是使用原子鐘校準的，可以調整。該團隊進行了幾次實驗，當他們觀察到釷-229原子從激發態衰變時明顯發光，便使用這些設置計算驅動信號的頻率。

“第一次觀察到這種轉變感覺很神奇。”JILA的物理學家張傳坤（音）說，“我們整晚都在做所有測試，以檢查這是否真的是我們正在尋找的信號。”

Fuchs說，如果一個時鐘的“嘀嗒”速度相對于另一個時鐘隨時間而變化，這可能表明決定能級的因素——如強大的核力或電磁力，正在漂移或擺動。某些質量極低的暗物質預計會產生這種效果。

力的任何變化都會在核躍遷頻率中被放大，這使得核時鐘對這種暗物質的敏感性可能比原子時鐘高約1億倍。Fuchs說，最新結果精確到小數點后13位的頻率，已經足夠精確，可以縮小光暗物質可能存在的能量范圍。她補充說，核物理學也可以從更精確的躍遷頻率中受益，幫助科學家區分釷-229原子核的可能形狀。

但是，在核時鐘能夠超越原子鐘之前，還需要做更多工作。原子鐘目前精確到小數點后19位。研究人員會探索將釷-229嵌入晶體中是否會成為最精確的計時器，或者捕獲單個原子是否會產生更好的結果。