可運(yùn)行的核鐘來了！

原子鐘是目前計(jì)時(shí)領(lǐng)域的黃金標(biāo)準(zhǔn)。這類裝置利用電子能級(jí)的變化來定義“一秒”的長(zhǎng)度，并已經(jīng)把時(shí)間和頻率測(cè)量推進(jìn)到極高精度。

與電子相比，原子核更不容易受到外界擾動(dòng)。因此長(zhǎng)期以來，科學(xué)家一直期待一種新的可能：如果把計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)從原子的電子轉(zhuǎn)移到原子核，即利用原子核的能級(jí)躍遷來計(jì)時(shí)，那么就有望制造出比原子鐘更穩(wěn)定、更便攜、更精確的核鐘。

近日，來自歐洲和中國(guó)的兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別于6月3日和6月7日在預(yù)印平臺(tái)arXiv上發(fā)布了兩項(xiàng)最新的核鐘成果。他們的結(jié)果表明：核鐘已經(jīng)從一種有潛力的系統(tǒng)，發(fā)展成為一種真正能夠運(yùn)行的、并可用于尋找新物理的精密儀器。

為什么是釷-229？

所有鐘都需要依靠某種穩(wěn)定的振蕩來計(jì)時(shí)，例如傳統(tǒng)擺鐘中來回振蕩的擺錘。在最先進(jìn)的原子鐘中，這種“擺動(dòng)”對(duì)應(yīng)的是特定可見光波長(zhǎng)的振蕩——當(dāng)電子在不同能級(jí)之間躍遷時(shí)，會(huì)吸收特定頻率的光。物理學(xué)家通過確定觸發(fā)電子狀態(tài)變化的特定激光頻率，再利用這一頻率來計(jì)時(shí)。

事實(shí)上，原子鐘使時(shí)間和頻率成為物理學(xué)中測(cè)量最精確的量。從實(shí)現(xiàn)國(guó)際單位制中“秒”的微波頻率標(biāo)準(zhǔn)，到如今達(dá)到前所未有精度的光學(xué)鐘，原子鐘已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。

核鐘則不同。它不是讓電子在能級(jí)間躍遷，而是希望通過把原子核內(nèi)部的質(zhì)子和中子激發(fā)到更高能態(tài)來計(jì)時(shí)。就像推動(dòng)秋千需要精準(zhǔn)的節(jié)奏以保持穩(wěn)定擺動(dòng)，原子核也有其最佳的振蕩頻率，在物理學(xué)中被稱為共振頻率。處于這一頻率的輻射，能激發(fā)原子核像擺鐘一樣在基態(tài)與高能態(tài)這兩個(gè)量子態(tài)之間“擺動(dòng)”。

不過，大多數(shù)原子核的共振頻率極高，需要非常強(qiáng)的輻射才能激發(fā)。但在1976年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種放射性元素釷-229很特殊，因?yàn)樗淖匀还舱耦l率較低，只需使用普通紫外激光進(jìn)行操控，就能觸發(fā)這種躍遷。

幾十年來，物理學(xué)家一直認(rèn)為釷-229是構(gòu)建核鐘的理想候選。但直到2024年，才有物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)在一個(gè)毫米級(jí)大小、摻入了數(shù)萬億個(gè)釷-229原子的氟化鈣晶體中，成功觸發(fā)了這種核躍遷，朝著構(gòu)建一個(gè)可運(yùn)行的核鐘邁出了關(guān)鍵一步。同年晚些時(shí)候，另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步精確測(cè)定了這一躍遷發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。

運(yùn)行的核鐘

然而，要讓核鐘真正運(yùn)行，還缺乏最后的關(guān)鍵一步，即找到一種方法，把激光頻率始終鎖定在釷-229原子核的自然躍遷頻率上。因?yàn)橐坏┘す忸l率偏離這個(gè)基準(zhǔn)，核鐘輸出的計(jì)時(shí)頻率也會(huì)隨之漂移。

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都是通過監(jiān)測(cè)釷-229原子對(duì)激光的吸收強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的。當(dāng)激光頻率處在正確范圍內(nèi)時(shí)，光子會(huì)被釷-229吸收，因此探測(cè)到的透射光信號(hào)強(qiáng)度會(huì)下降。但如果激光頻率發(fā)生漂移，吸收減少，透射光信號(hào)就會(huì)再次升高，于是就能立刻進(jìn)行校正。

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)采用的具體方法有所不同。中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)使用的激光功率約為歐洲團(tuán)隊(duì)的100倍，但他們晶體中的釷-229原子濃度較低。因此總體來看，兩臺(tái)核鐘產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)。

研究結(jié)果表明，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的核鐘都能可靠運(yùn)行。在一天運(yùn)行時(shí)間里，它們的頻率漂移量相當(dāng)于每300萬年才出現(xiàn)約1秒的誤差。不過就目前而言，這一穩(wěn)定性仍不及最先進(jìn)的光學(xué)原子鐘——約每400億年才會(huì)出現(xiàn)1秒誤差。

從精密計(jì)時(shí)到尋找暗物質(zhì)

兩項(xiàng)研究共同說明，釷-229核鐘已經(jīng)不再只是一個(gè)理論上有潛力的設(shè)想，而是開始成為真正可以運(yùn)行的精密儀器。

現(xiàn)在，還有一些研究人員正在嘗試制造精度可能超過最先進(jìn)原子鐘的核鐘。由于觸發(fā)核躍遷所需的光頻率高于原子鐘所使用的光，理論上，核鐘應(yīng)當(dāng)能夠把時(shí)間分辨得更細(xì)，從而實(shí)現(xiàn)更高精度。但要做到這一點(diǎn)，可能需要將釷-229孤立出來，而不是把它嵌入晶體中。但總得來說，這是一條仍有待探索的重要路線。

此外，即便是在當(dāng)前階段，核鐘也已經(jīng)為探索基礎(chǔ)物理提供了一種新的途徑。理論學(xué)家預(yù)測(cè)，某些形式的暗物質(zhì)可能會(huì)改變束縛原子核的基本相互作用強(qiáng)度，從而導(dǎo)致核躍遷頻率出現(xiàn)可測(cè)量的變化。因此，它為探測(cè)暗物質(zhì)、檢驗(yàn)基本常數(shù)是否變化、研究原子核內(nèi)部相互作用等問題提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01909-7

https://arxiv.org/pdf/2606.04997

https://arxiv.org/pdf/2606.08870

https://www.nature.com/articles/d41586-024-01166-6

#圖片來源：

封面圖&首圖：Daniele Levis Pelusi / Unsplash