核時鐘倒計時

物理學家用一種與全球最精準時鐘同步的精密激光激發了快速核振蕩——未來有望利用這項技術開發超精準計時器，同時也有助于解決關于宇宙的基本問題。

原子內的電子可以在不同能級之間躍遷，且躍遷過程中常常會釋放或者吸收輻射，我們可以利用這種輻射的頻率來測量時間。這正是原子鐘的工作原理。原子鐘極為精確，這要歸功于稱為“頻率梳”的特制激光。利用原子核內的躍遷現象，對時間的測量甚至可以變得更加精確，只是頻率梳的應用范圍覆蓋不了核躍遷的頻率——好在有一個著名的例外，那就是同位素

釷-229。科羅拉多大學實驗天體聯合物理研究所物理學家葉軍和張傳坤等人的團隊報告稱，他們已經用定制的頻率梳驅動了這種獨一無二的躍遷，從而向著打造核時鐘的目標邁出了一大步——按物理學家的想法，核時鐘可以追蹤約束物理世界的基本常數的最緩慢漂移。

測量時間擁有一段以各種獨創性為標簽的悠久歷史：從計算月相周期到鐘擺和石英振蕩器的發明。目前，全球標準計時裝置是一種基于銫原子微波頻率躍遷的原子鐘。各個大洲都安放有這些精致的機器，互相之間精準同步，且至少精確到小數點后16位。正是有如此精準的計時系統作基礎，人類才有可能安全執行空間任務，并且使用誤差在1米范圍內的全球定位導航系統。

另有一種原子鐘利用的則是光學波段（而非微波波段）釋放的光的頻率，即光學鐘。光學鐘計時的理論上限比銫時鐘還高。光學鐘利用的是不同離子和原子的躍遷，借助頻率梳比較它們的振蕩頻率，并且將其同銫時鐘的振蕩頻率比較。頻率梳其實是一種激光系統，以數百萬個離散的頻率同步發射激光，這樣一來，它們的光譜就變得像一把梳齒間距均勻且精確的長長的梳子。整個光譜就像是在一架精準調音的巨大鋼琴上同時敲擊100萬個音鍵形成的聲譜。

目前，最精準的時鐘是一種由鍶原子制成的光學鐘，比標準銫時鐘還要精準大約100倍。這種時鐘對外界擾動基本不敏感。

既然原子躍遷在計時方面的應用如此成功，那么原子核的效果會不會更好？畢竟，平均來說，原子核的大小只有原子的十萬分之一，因而更不容易受到外界環境的影響。通常情況下，原子核躍遷的頻率至少比對應的原子躍遷高1萬倍，但釷-229是個例外：只要稍微重排一下釷-229，它只需要8.4電子伏特的能量就能從最低能量態（基態）躍遷到能長期維持的激發態。相較核力和電磁力（正是這兩種力讓原子核不會分崩離析）來說，這個能量算是相當小了。因此，一旦超精準的核時鐘投入使用，就可能揭示一個宇宙奧秘：核力和電磁力是不是永遠不變，還是會因為某種我們尚不知道的機制隨著時間的推移緩慢改變？

研究人員剛開始研究這類問題是否可用原子核躍遷回答時，他們的研究依據是早先的實驗測量結果，該結果表明所需的能量是3.5電子伏特，這意味著用傳統激光就足以驅動原子核躍遷。然而，后續的測量結果表明所需的能量差不多要高7.8電子伏特，落在光譜中真空紫外線（VUV）的區域內。另外，這個能量也可以觸發原子釋放電子，而非輻射（電子釋放是一種比輻射快得多的過程，是研究人員不想看到的）。更要緊的是，用激光達到這個能量水平在技術上很是困難。然而，核時鐘的前景依舊誘人，吸引著諸多物理學家不斷努力。

張傳坤及其同事就是其中的一個團隊，他們這次令人矚目的壯舉也完全是國際合作的成果。張傳坤團隊的研究之路很繁雜，第一階段中的一個環節是找到可以嵌入釷-229原子核的物質——理想情況下應該對真空紫外線輻射透明，并且應該規避不必要的電子發射。至少有兩支團隊為這一目標而努力，其中一支團隊的工作地點是奧地利，有三位成員也是張傳坤這篇論文的共同作者。借助相關的晶體生長專業知識，這支團隊成功制作出了滿足上述要求的氟化鈣晶體。

2023年，歐洲核子研究中心的一項實驗就用到了這些晶體。那里的研究團隊將足量（多到足以讓真空紫外線光譜儀直接探測到釋放的光子）受激發的釷-229離子注入氟化鈣晶體中。這項研究提高了估算光子能量的準確性，并且得到了8.3電子伏特的數值，進而也加速了能夠激發相關躍遷的激光設備開發競賽。

在此期間，一支德國的研究團隊建造了一臺功能強大到足以勝任這個任務的真空紫外線激光器。隨后，他們和奧地利的氟化鈣晶體種植團隊合作，首次在釷-229原子核中實現了激光激發和原子核躍遷。在這個過程中，他們還刷新了核時鐘計時的精度紀錄，從而縮小了核時鐘計時精度與光學鐘計時精度之間的差距。

與此同時，這項宏大事業中的其他研究人員研發出了既可以激發原子核躍遷，又能與附近鍶原子光學鐘同步的真空紫外線頻率梳。張傳坤和他的同事把奧地利小組的晶體生長設備搬到了美國，并用他們的真空紫外線頻率梳驅動激發過程——然后就創造了歷史。這些研究人員通過反復實驗證明，這種真空紫外線頻率梳可以激發核躍遷，并且讀出其頻率與鍶原子躍遷頻率之間的關系。他們觀察到的核激發態持續時間大約為10分鐘，這意味著可以用這個系統制造一個以2拍赫茲（1拍赫茲=1015赫茲）為單位且不確定性為微赫茲級別的時鐘。

張傳坤等人總共發現了7種躍遷，其中5種在預料之中，肇始于原子核電荷分布與晶體強內稟電場相互作用而產生的能級分裂。這些躍遷的頻率集中在2拍赫茲附近，在張傳坤等人的實驗中精確度可以達到小數點后12位，比鍶原子光學鐘的紀錄還是差了6位。現在，繼續提升精確度的難點在于頻率梳齒的寬度——產生梳齒的過程會擴大其寬度。從測量學角度上說，要想進一步提高精確度就必須縮小這些梳齒的間距，具體方法可能是把現在應用于光學鐘的已有技術遷移到真空紫外線波長范圍內。

下一步要做什么？雖然精確的躍遷頻率取決于氟化鈣宿主的性質，但即使是最小的晶體也能容納海量

釷-229原子，因而可能通過對所有原子核躍遷頻率取平均值的方法得到可復現的頻率值。有了比張傳坤團隊使用的頻率梳更加緊湊的真空紫外線頻率梳，就可以制造出許多具有潛在應用價值的穩定小體積時鐘。我們還可以把受激發的釷-229原子核應用在量子比特中以存儲并加工量子信息。

此外，我們也可以用單個被捕獲的釷-229離子建造真空紫外線核時鐘，其對環境的敏感程度甚至可以比現有的類似光學鐘更低。另一種令人興奮的應用前景涉及監測核時鐘躍遷頻率隨時間的變化情況。這可能揭示假想中存在的精細結構常數（用于量化帶電粒子之間的電磁相互作用強度）微小變化，以及核粒子之間耦合情況的微小變化。如此種種都會激發人們尋找全新的物理學理論。因此，張傳坤及其同事這項舉世矚目的成果很可能是未來諸多驚奇物理學發現的起點——同時也為此前30年的相關物理學研究畫上了圓滿句號。

資料來源 Nature

本文作者阿德里亞娜·帕爾菲（Adriana Pálffy）是德國維爾茨堡大學理論物理學和天體物理學研究人員；何塞·洛佩茲-烏魯蒂亞（José R. Crespo López-Urrutia）是德國馬克斯·普朗克研究所研究人員