“核時鐘”的技術突破為超精準計時鋪平了道路

核時鐘是一種通過測量原子核內微小能量躍遷計時的設備。物理學家已經知曉了制造核時鐘需要的所有組件。這類時鐘可能會大大提高測量精度，從而為基礎物理學帶來新的洞見。

研究人員測量了激發稀有同位素釷-229到更高能量態的光的頻率，且精確度是此前所有實驗的10萬倍以上，具體方法是把這種能量躍遷同目前世界上最精準的時鐘同步起來。領導這項研究的科學家是科羅拉多大學博爾德分校下屬實驗天體物理聯合研究所的物理學家葉軍和張傳坤團隊，相關文章發表在2024年9月的《自然》雜志上。

這次突破來自研究人員利用一種稱為“頻率梳”的激光設備探測釷-229原子核的實驗。從技術角度上說，這個裝置還不能算是鐘，因為研究人員并沒有直接用它測量時間。但實驗結果相當出彩，完全可能推動核時鐘的進步。

精確測量對粒子物理學而言相當有用。另外，因為核時鐘的頻率是由把原子核聚集在一起的基本力決定的，所以利用這種核時鐘可以研究是否存在某種暗物質——暗物質是一種看不見的物質，占到宇宙物質總量的85%左右——可以在極小的尺度內影響這些力。這是直接研究核力的一扇新窗戶。

目前，全世界性能最優秀的時鐘稱為“原子鐘”，它利用激光計時——極為精確地調整激光頻率，使其完美匹配激發原子內電子在兩個能級之間躍遷需要的能量。最精確的原子鐘每40億年才會走快或走慢1秒。核時鐘的工作原理與原子鐘稍有不同：核時鐘利用的是質子與中子進入激發態時的能量變化。

質子和中子的能量變化對應的激光頻率也略高（紫外波段），因此，核時鐘的走動精度完全可以媲美并且超過原子鐘。不過，核時鐘的最大潛在優勢是精確度和穩定性的結合。相比電子，原子核內的粒子對電磁場之類的擾動不那么敏感，這意味著核時鐘可以做到既穩定又便攜。

然而，為了找到合適的原子核，并確定誘導其轉變到不同能量態需要的頻率，物理學家已經奮斗了50年。直到2023年，科學家才發現了觸發躍遷需要的頻率。然后就是2024年，他們成功地用激光切實觸發了這種躍遷。

實驗天體物理聯合研究所團隊運用一種稱為頻率梳的系統尋找晶體內數萬億個釷-229原子的躍遷頻率。頻率NM4bXqBBDBYB+fsGEK7Lj92xqxnQfQ2ZUrA2gehHeRY=梳會輸出一組間隔規律且均勻、明確的激光頻率線。這樣一來，研究人員就能一次用多種精確的頻率照射晶體以尋找合適的頻率，而不是像以前那樣不停地用候選范圍內的單一頻率激光費力地掃描。

頻率梳的設置——包括各種頻率線之間的間隔寬度——可以用原子鐘校準或調整。葉軍團隊做了幾輪實驗，當他們觀察到釷-229W1/2EyPNolk6wN50MWGSVZBjroN0uLSwTk6JFawcEI8=原子從激發態衰變時產生的指示性閃光后，便通過相關裝置計算信號頻率。

頻率梳的神奇之處在于，有了它，物理學家就可以測量某個時鐘走動頻率——在葉軍團隊的例子中是釷-229原子——與另一個已知頻率（在這個例子中是某個原子鐘）的比值。張傳坤說，這不僅能讓研究團隊以極高的精確度得到絕對頻率，而且還為物理學開拓了一些很棒的可能性。

如果某個時鐘的走動速度與另一個時鐘的比值會隨時間而發生變化，那可能就意味著，決定能量高低水平的基本因素——比如強核力或電磁力——正在漂移或波動。按現在的理論預測，暗物質的特定“光”形式就會產生這種效應。基本力的任何變化都會在核原子躍遷頻率中放大，所以，相比原子鐘，核時鐘對這類暗物質效應的敏感程度要高上大約1億倍。

不過，核時鐘要想真正全面超越原子鐘——后者的精度現在是小數點后19位——還有更多工作要做。研究人員需要探索制造最精確的計時裝置的具體方法究竟是什么：是把釷-229嵌入晶體嗎？畢竟，晶體是固態的，這點對便攜式時鐘的制造來說更為方便。但以多個單個原子為單位加以處理是不是會產生更好的結果？激光系統也同樣需要進一步打磨。幸運的是，這項神奇的技術潛力很大，完全有可能成為未來時鐘的原型。