核鐘：時(shí)間的新紀(jì)元

[本刊訊] 時(shí)間的精確度對(duì)科學(xué)研究和人類的生產(chǎn)生活都至關(guān)重要，更高的精確度一直是人們努力的目標(biāo)。從古代的日晷，到近代的機(jī)械鐘，再到現(xiàn)代的原子鐘，人類對(duì)時(shí)間的掌控越來(lái)越精細(xì)。近日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的葉軍等人實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)重大科學(xué)突破，它預(yù)示著人類對(duì)時(shí)間的測(cè)量可能即將進(jìn)入新的階段——核鐘的時(shí)代，相關(guān)研究成果作為“封面文章”于2024年9月4日發(fā)表在《自然》（Nature）上。

原子鐘是目前世界上最精確的時(shí)間測(cè)量工具，它通過(guò)電子在原子能級(jí)間躍遷時(shí)發(fā)射和吸收的光頻率來(lái)計(jì)時(shí)。目前最精確的光晶格原子鐘由葉軍等人創(chuàng)造，時(shí)間測(cè)量誤差在396億年內(nèi)不到1秒，相關(guān)研究成果于2024年7月10日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。但數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們一直在探索一種更為精確的計(jì)時(shí)方式——核鐘。顧名思義，核鐘是利用原子核能級(jí)間躍遷的計(jì)時(shí)裝置，此躍遷頻率比原子能級(jí)間的電子躍遷頻率更高，因此理論上可以提供更精細(xì)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。另外，原子核能級(jí)間躍遷對(duì)電磁場(chǎng)、溫度等外界環(huán)境的敏感度更低，有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的計(jì)時(shí)。

然而要實(shí)現(xiàn)核鐘，面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樾枰薮蟮哪芰坎拍馨言雍思ぐl(fā)到激發(fā)態(tài)，這超出了現(xiàn)有激光技術(shù)的能力。幸運(yùn)的是，釷-229的原子核具有電子伏特量級(jí)的激發(fā)態(tài)，這使得利用真空紫外激光來(lái)激發(fā)釷-229原子核成為可能。

此次的重大突破得益于不同領(lǐng)域、不同國(guó)家研究團(tuán)隊(duì)的合作。在過(guò)去的幾年里，來(lái)自?shī)W地利的科學(xué)團(tuán)隊(duì)制備出了可以嵌入釷-229原子核的氟化鈣晶體；歐洲核子研究組織的研究人員首次觀察到了釷-229原子核能級(jí)間的躍遷。在最新這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們不僅成功地以極高的精度激發(fā)了釷-229原子核的躍遷，還通過(guò)頻率梳將其與鍶原子鐘相連。這是核鐘的所有部分首次“同時(shí)運(yùn)行”。

核鐘不僅在計(jì)時(shí)精度上有望超越原子鐘，它們還具有更高的穩(wěn)定性。此外，核鐘對(duì)于基本物理常量的變化極為敏感，有助于科學(xué)家們探索宇宙的基本規(guī)律。

（王晉嵐）