研究人员使用频率梳激光装置探测嵌入晶体中的钍-229原子核。图片来源：JILA
本报讯核时钟是一种通过测量原子核内微小能量变化来计时的装置，它可以大幅提高测量精度，并为基础物理学提供新见解。科学家测量了导致稀有同位素钍-229原子核转移到更高能量状态的光频率，即核时钟的“嘀嗒”声，发现其精度比之前最精确的时钟高出10万倍。该研究由美国实验天体物理联合研究所（JILA）的叶军（音）领导，9月5日发表于《自然》。
科研人员使用一种名为频率梳的激光装置探测了钍-229原子核，从而取得了突破。从技术上讲，该装置不是一个时钟，因为它还没有被用来测量时间。但美国特拉华大学的原子物理学家Marianna Safronova说，如此令人印象深刻的结果使开发核时钟成为可能。
德国汉诺威大学的理论物理学家Elina Fuchs说，对“嘀嗒”声的测量被证明在粒子物理学中很有用。由于时钟的频率是由将原子核结合在一起的基本力决定的，因此原型机可以确定是否会有一种暗物质在微小尺度上影响这些力。“这是直接了解核力量的一个新窗口。”
目前世界上最好的时钟是原子钟，它使用激光计时——光的频率被精确打磨，以匹配在原子内部两个能级之间移动电子所需的能量。最精确的原子钟每400亿年只有1秒误差。核时钟的工作原理则略有不同——“嘀嗒”声对应于质子和中子而不是电子的能量转换，因为它们会重新排列到激发态。
这种能量转移需要稍高的紫外线频率，从而产生更快的“嘀嗒”声，从而匹配甚至超过原子钟的精度。但核时钟最大的潜在优势是精度和稳定性的结合。原子核中的粒子对电磁场等的干扰敏感度低于电子，这意味着核时钟可以更便携且坚固。
为了找到合适的原子核并确定诱导其转变为不同能量状态所需的频率，物理学家已经奋斗了50年。20世纪70年代，有间接证据表明，钍-229具有一种奇怪的低能核跃迁，这种跃迁最终可能由激光触发。但直到去年，科学家才发现了所需的频率。今年，他们终于成功利用激光实现了这一转变。
JILA团队使用一种名为频率梳的系统，在嵌入晶体中的数万亿个钍-229原子中寻找跃迁频率。梳状结构输出一组间隔规则且均匀的激光频率线，允许研究人员一次用多个精确的频率照亮晶体加以匹配，而不是使用单频激光在可能的选择范围内费力地扫描。
梳状结构——包括线条之间的间隙或“齿”的宽度，是使用原子钟校准的，并且可以调整。该团队进行了几次实验，当他们观察到钍-229原子从激发态衰变时产生的光时，便使用这些设置计算驱动信号的频率。
“第一次观察到这种转变感觉很神奇。”JILA的物理学家张传坤（音）说，“我们整晚都在做测试，以检查这是否真的是我们正在寻找的信号。”
Fuchs说，如果一个时钟的“嘀嗒”速度相对于另一个时钟随时间发生变化，这可能表明决定能级的因素如强大的核力或电磁力，正在漂移或摆动。她说，某些质量极低的暗物质预计会产生这种效果。
力的任何变化都会在核跃迁频率中被放大，这使得核时钟对这种暗物质的敏感性可能比原子时钟高约1亿倍。Fuchs说，最新结果达到小数点后13位的频率，已经足够精确，可以缩小光暗物质可能存在的能量范围。她补充说，核物理学也可以从更精确的跃迁频率中受益，帮助科学家区分钍-229原子核的可能形状。
但是，在核时钟能够超越原子钟之前，还需要做更多工作。原子钟目前精确到小数点后19位。研究人员将继续探索钍-229嵌入晶体是否会成为最精确的计时器，或者捕获单个原子是否会产生更好的结果。（李木子）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6
《中国科学报》 (2024-09-06 第2版 国际)
