近日，JILA （科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所）的研究人员在时间计量领域取得重大突破，他们正在研发一种基于钍 - 229 的核时钟，其稳定性远超原子钟，未来甚至可能重新定义时间标准，还为探测新物理现象带来希望。
长期以来，原子钟一直是精确计时的标准，在全球定位系统（GPS）导航、物理研究及基础科学测试等领域发挥着关键作用。然而，JILA 的物理学教授叶军带领团队，联合维也纳技术大学，开始探索更稳定的计时设备 —— 核时钟。与依赖电子跃迁的原子钟不同，这种新型核时钟基于钍 - 229 原子核内的低能跃迁。由于原子核跃迁受环境干扰较小，基于钍的核时钟有望提供前所未有的稳定性，还可用于检验超出标准模型的物理学理论。
叶军的实验室多年来一直致力于核时钟的研究。去年，他们的一项具有里程碑意义的实验成果作为封面文章发表在《自然》杂志上。在这项实验中，研究人员在特殊设计的晶体中，首次对钍 - 229 的核跃迁进行了基于频率的量子态分辨测量，证实了这种跃迁可被精确测量，足以作为可靠的计时参考。
为了研制出实用的核时钟，科学家们需要了解外部因素，尤其是温度，对核跃迁的影响。在一项被《物理评论快报》选为 “编辑推荐” 的新研究中，团队分析了晶体在加热到不同温度时，钍原子核能级的变化。JILA 博士后研究员雅各布・希金斯博士是该研究的第一作者，他表示：“这是表征核时钟系统特性的第一步。我们发现了一种对温度相对不敏感的跃迁，这正是精密计时设备所需要的。” 叶军教授也指出：“固态核时钟极有可能成为坚固且便携的高精度计时设备。我们正在寻找紧凑型核时钟的参数空间，以使其在连续运行时保持 10 - 18 的分数频率稳定性。”
原子的原子核相比电子受环境干扰更小，因此核时钟在原子钟可能失效的环境中仍能保持精确，对噪声的抗性更强。在所有原子核中，钍 - 229 因其具有异常低能量的核跃迁而特别适合用于制造核时钟，这使得用紫外激光而非高能伽马射线探测成为可能。与在捕获离子系统中测量钍不同，叶军实验室采用了一种新方法：将钍 - 229 嵌入固态基质 —— 氟化钙（CaF₂）晶体中。这种方法由维也纳技术大学的合作者开发，相比传统离子阱技术，能实现更高的钍核密度，更多的原子核意味着更强的信号和更好的核跃迁测量稳定性。
在研究温度对核跃迁的影响时，研究人员将掺钍晶体冷却和加热到三个不同温度：用液氮冷却至 150K（-123°C），用干冰 - 甲醇混合物冷却至 229K（-44°C），以及加热至 293K（接近室温）。通过频率梳激光器，他们测量了每个温度下核跃迁频率的变化，发现晶体内部存在两种相互竞争的物理效应。随着晶体升温膨胀，原子晶格会发生微妙变化，改变钍原子核所经历的电场梯度，使钍跃迁分裂成多条谱线，且这些谱线会随温度变化向不同方向移动；同时，晶格膨胀还会改变晶体中电子的电荷密度，进而改变电子与原子核的相互作用强度，使谱线向同一方向移动。
在这两种效应的相互作用下，研究人员发现一种特定的跃迁对温度的敏感度远低于其他跃迁，两种效应几乎相互抵消。在整个测试温度范围内，这种跃迁的频率仅偏移了 62 千赫兹，比其他跃迁至少小 30 倍。JILA 研究生张传坤表示：“这种跃迁的表现对时钟应用来说非常有前景。如果我们能进一步稳定它，将在精密计时领域带来重大变革。” 下一步，团队计划寻找一个温度 “甜点区”，使核跃迁几乎完全不受温度影响。初步数据显示，在 150K 至 229K 之间的某个温度区间，跃迁频率更容易实现温度稳定，这将为未来的核时钟提供理想的工作条件。
构建全新类型的时钟需要定制化的设备，而许多设备在市场上无法直接获取。得益于 JILA 的仪器车间，其拥有专业的机械师和工程师，团队得以制造出实验所需的关键部件。希金斯提到：“金・哈根和整个仪器车间在整个过程中给予了极大的帮助。他们加工了用于固定掺钍晶体的晶体支架，还制作了冷阱系统的部分部件，使我们能够精确控制温度。” 拥有内部加工专业技术，研究人员可以快速迭代设计，轻松完成诸如更换晶体等小改动。团队成员、JILA 研究生田伟补充道：“如果我们只使用现成的部件，对实验装置的信心会大打折扣。仪器车间定制的部件节省了我们大量时间。”
这项研究的主要目标虽是开发更稳定的核时钟，但其意义不止于计时。钍核跃迁对环境干扰极不敏感，但对基本力的变化高度敏感，任何频率的意外偏移都可能暗示新的物理现象，如暗物质的存在。希金斯解释说：“核跃迁的敏感性使我们能够探索新的物理学。除了制造更好的时钟，这还可能为研究宇宙开辟全新的途径。”
该研究得到了美国陆军研究办公室、美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会、量子系统加速器以及美国国家标准与技术研究院（NIST）的支持。
参考资料：DOI： 10.1103/PhysRevLett.134.113801
