文丨王俊俊

2024年9月4日，叶军院士、张传坤团队的研究成果：原子钟项目，再次登Nature封面。

这篇题为“Frequency ratio of the ²²⁹ᵐ Th nuclear isomeric transition and the ⁸⁷Sr atomic clock”（钍-229m核异构跃迁和锶-87原子钟的频率比）的文章，发表在Nature 上，并被选为当期封面。

这篇论文从投稿到接收仅仅27天，并同时被《Nature》的nature podcast系列、news & views系列、news系列、editorials系列以及《Science》的News系列报道。

这项成果发起了一项人类新的努力：团队开发的一种基于原子核中能量微小变化的新型时钟计时器——核钟，在准确性和稳定性方面可能超越当今最先进的原子钟，且对干扰的敏感度更低，这让科学家们很高兴将它们用作暗物质和其他基本物理问题的探测器，利用这一发现来观察物理定律是否随着时间的推移而变化。

叶军团队的这项研究也标志着核基固态光学钟的开端，给这种新型时钟以后用在实际情况中打下了基础。

“终极计时器”全球首次启动！

测量时间的技术经历了悠久的创新历史：从计算月相到钟摆和石英振荡器的发明。

目前全球计时标准是一种基于铯原子微波频率跃迁的原子钟，这些精密设备可以在全球范围内精确同步，精度可达小数点后16位数，足以支持太空任务，并帮助人们使用全球GPS定位系统实现精度在1米以内的导航。

另一种不同类型的原子钟使用在光学（而不是微波）范围内发射光的跃迁。通过精确放大原子核中的特定能量转变，研究人员比以往任何时候都更接近于构建一种新型计时器：核钟。

在此之前，精度最高的钟是由锶原子构成的光钟，基本不受外界扰动的影响。它比标准铯钟的精度高出约100倍。

具体而言，团队成员使用真空紫外（VUV）频率梳直接激发固态 CaF₂ 主体材料中的窄钍-229（²²⁹Th）核钟跃迁，并确定绝对跃迁频率。

他们将基频梳稳定至JILA的锶-87（⁸⁷Sr）时钟，并通过使用飞秒增强腔将基频相干上变频到VUV范围内的第七谐波。

这种VUV频率梳在原子核能级与电子能级之间建立了频率联系，使他们能够直接测量钍-229核钟跃迁和锶-87原子钟的频率比。结果显示，钍-229的核跃迁频率为2,020,407,384.335(2) kHz，并且与锶-87原子钟的频率比为4.707072615078(5)。

这一结果极大推进了钍-229核时钟的研究，相比以往的测量精度提高了六个数量级。他们精确测量了核四极劈裂并提取异构体的内禀性质。

作者还精确测量核四极分裂并提取异构体的内在特性，这些结果标志着基于核的固态光学钟的开始，这项工作代表了精密计量学、超快强场物理、核物理和基础物理的融合。

核钟初鸣，推动新物理学探索

核钟成为目前测试基础物理学的高灵敏度仪器。

一旦核钟投入使用，它将能够揭示宇宙的一个秘密：核力与电磁力是否总是恒定的，抑或某种尚未明确的机制令它们随时间缓慢漂移。

但是，核钟很难制造，科学家花了将近50年的时间才接近工作模型。

早期测量数据表明，所需能量为3.5 eV，这意味着这种跃迁可以通过常规激光器来驱动。

然而，后续的测量推翻了这一结果，表明实际的跃迁能量接近7.8 eV，这一能量位于VUV频谱范围内，并且可能会触发原子释放电子而不是辐射——电子释放的过程更加快速，并且在这里是不希望发生的。

此外，利用激光器达到这样的能量同样极具挑战性。

对于大多数原子来说，需要大量的能量才能将原子核从其最低能量状态中抬离，这远远超出了使用精确、稳定的探测激光器所能达到的效果。

研究人员使用一种称为频率梳的激光设备探测了嵌入晶体中的钍-229 原子核

物理学家在2003年提出了一种基于钍的时钟。但是原子核的理论模型无法以必要的精度预测这种跃迁的能量，因此找到这个跃迁意味着要搜索大量可能的值。

此外，钍-229从其第一个能态缓慢衰变。因此，半衰期约为30分钟，观察到每秒衰变的概率很低。

但科学家的探索并不曾止步。2023年，瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN的稀有同位素专家通过使用创新方法制造了钍-229，并首次观察到了低能跃迁。

该团队将足够数量的激发态钍-229离子注入氟化钙晶体中，以便使用VUV光谱仪直接检测到发射的光子。这项研究提高了光子能量估计的准确性，将其达到8.3 eV，加速了能够激发这种跃迁的激光器的开发。

与此同时，参与当前工作的其他作者开发了一种VUV频率梳，可以激发核跃迁，并同时与附近由锶原子调节的光学时钟同步。

张传坤等人将奥地利晶体装置带到了美国，在那里他们用VUV频率梳驱动激发，创造了历史。

通过反复实验表明，这种频率梳可以激发核跃迁，并读出其频率与锶跃迁频率的关系。

他们观察到的核激发态的寿命约为10分钟，这意味着该系统可用于产生2拍赫兹（1PHz为10¹⁵Hz）的时钟，且不确定性在微赫兹范围内。

(229 )Th 核钟跃迁的VUV梳状光谱

张传坤等人总共发现了七个跃迁，其中五个跃迁是预期的，这是由于原子核的电荷分布与晶体的强固有电场相互作用而产生的能级分裂。

目前，任何更高精确度的希望都因梳齿的宽度而变得复杂，梳齿的宽度因其生成过程而变宽。出于计量目的，需要进一步改进以缩小这些齿，可能通过将现有技术从光学频率范围转移到VUV频率范围。

一个令人兴奋的前景涉及监测核钟的跃迁频率如何随时间变化。这可以揭示精细结构常数（量化带电粒子之间电磁相互作用的强度）以及核粒子之间耦合的假设微小变化，所有这些都将激发对新物理学的探索。

核钟的另一个诱人的物理应用是寻找暗物质的候选粒子，这种看不见的物质被认为占宇宙质量的85%。

许多模型提出超轻暗物质粒子将与强核力直接相互作用，强核力将原子核中的质子和中子结合在一起。如果这些粒子与钍原子核相互作用，它们就会扰乱跃迁频率，从而以可检测的方式扰乱时钟。这项工作已经以前所未有的细节揭示了核行为。JILA测量提供的证据表明，钍等原子核在激发态和基态之间移动时会意外地膨胀和收缩。

张传坤等人的惊人成就预示着许多令人着迷的未来发现，并为三十年来的精彩研究画上句号。

量子力学已成为了解和解释微观世界的重要框架，而量子科学的革命正在以惊人的速度改变我们的世界。“时钟”就是其中一种， 核钟正在开启人类量子科技的新篇章。