物理学家距离开发基于原子核能量变化的时钟又近了一步。2024年9月4日自然杂志Nature刊文发表了一篇题目为《Nuclear clock’ breakthrough paves the way for super-precise timekeeping》的文章，揭开这个最前沿的研究方向和成果的神秘面纱。
物理学家已经展示了核钟的所有必要组成部分——一种通过测量原子核内微小能量变化来计时的设备。这样的时钟可以大大提高精密测量的精度，并为基础物理学提供新的见解。
研究人员测量了导致稀有同位素钍-229核跃迁到更高能级的光频率——即核钟的“滴答声”——其精度是之前最好成果的10万倍。他们通过将能量跃迁与世界上最精确的时钟的滴答声同步来实现这一点。这项工作由科罗拉多州博尔德市的研究机构JILA的Jun Ye领导，并于9月5日发表在《自然》杂志上。“这真的是近来最令人兴奋的论文之一，”纽瓦克市特拉华大学的原子物理学家Marianna Safronova说道。
这一突破来自于使用一种称为频率梳的激光装置探测钍-229的原子核。这个装置技术上还不能称为时钟，因为它还没有被用于测量时间。但Safronova表示，如此令人印象深刻的结果使得核钟的开发似乎成为可能。
这些滴答声的测量已经在粒子物理学中显示出有用性，莱布尼茨汉诺威大学的理论物理学家Elina Fuchs表示。而且由于该时钟的频率由将核子结合在一起的基本力所决定，这一原型可能会揭示某种类型的暗物质——一种占宇宙中约85%的看不见的物质——是否在微小尺度上影响这些力。“这是一个观察核力的新、直接窗口，”Fuchs说道。
终极时间守护者
世界上最好的时钟称为原子钟，它们通过激光来计时——激光的频率被精确调整，以匹配使电子在原子内的两个能级之间移动所需的能量。最精确的原子钟每40亿年仅误差一秒。核钟将略有不同：其滴答声对应于质子和中子的能量跃迁，而非电子，它们重新排列进入激发态。
这种能量跃迁需要略高一些的紫外线频率，导致更快的滴答率，这可能匹配或超过原子钟的精度。但核钟最大的潜在优势在于精度与稳定性的结合。核内粒子对电磁场等干扰的敏感性较低，这意味着核钟可能会更加便携和稳定。英国泰丁顿国家物理实验室的实验物理学家Anne Curtis表示：“它在某种意义上变得不敏感，远远超出了我们今天时钟的工作方式。”
但找到合适的原子核，并确定诱导其能量状态转换所需的频率，已经让物理学家们努力了50年。早在1970年代，间接证据就表明钍-229具有异常低能量的核跃迁——这种跃迁可能最终会被桌面激光器触发。但直到去年，科学家们才发现所需的频率——而今年，他们成功地用激光引发了这种跃迁。
JILA团队在嵌入晶体的数万亿个钍-229原子中寻找跃迁频率，使用的是一种称为频率梳的系统。频率梳会发出一系列激光频率线，间距规则且均匀。它允许研究人员同时使用多个精确的频率照射晶体，以寻找匹配，而不是用单一频率的激光逐一扫描所有可能的选项。
频率梳的设置——包括线之间的间距宽度，即“齿”——经过原子钟校准并可进行调整。团队进行了多次实验，当他们观察到钍-229原子从激发态衰变时发出的特征性光芒时，他们使用这些设置计算出驱动信号的频率。
观察到这种跃迁“感觉太棒了”，研究合著者、JILA的物理学家Chuankun Zhang说道。“我们花了一整晚做所有的测试，以检查这是否真的就是我们在寻找的信号，”他说。
基本力
频率梳的神奇之处在于它使物理学家能够以另一已知频率（此处为原子钟）为基准，测量一个时钟的频率滴答声——此处为钍-229核的频率滴答声。这不仅让团队能够以高精度确定绝对频率值，还打开了一些物理学上的酷炫可能性，Zhang说道。
如果一个时钟的滴答速度相对于另一个时钟随时间变化，这可能表明决定能级的因素——例如强核力或电磁力——在漂移或波动，Fuchs说道。某些“轻”形式的暗物质，质量极低，预计会产生这种效果，她说。
任何力的变化都会在核跃迁频率中被放大，使得核钟比原子钟对这种类型的暗物质效应敏感约1亿倍。最新的结果——其频率精度达到13位小数——已经足以缩小轻型暗物质可能存在的能量范围，Fuchs说道。更精确的跃迁频率也可能有助于核物理学，帮助科学家区分钍-229核的可能形状，她补充道。
但在核钟性能超越原子钟之前，还有许多工作要做——目前原子钟的精度达到19位小数。研究人员将探讨将钍-229嵌入晶体中（固态状态对于制造便携式时钟非常方便）是否能成为最精确的计时器，或者单个原子捕获是否能产生更好的结果。
激光系统也需要优化。“幸运的是，这种惊人的技术具有很高的潜力，”德克萨斯农工大学的物理学家Olga Kocharovskaya说道，这是未来时钟的光源原型。
