史上最精確的時鐘誕生

科學家在制造一種全新類型的時鐘方面邁出了重大的一步——一種基于原子核能量微小變化的時鐘。原則上，核時鐘甚至比目前世界上最好的計時器——光學時鐘更精確，而且對干擾也不那么敏感。

原則上，核時鐘應該比光學時鐘（如圖）更精確、更穩定。圖片來源：Andrew Brookes, National Physical Laboratory/Science Photo Library

據《自然》報道，核時鐘還可以讓物理學家以新方式研究自然的基本力量。德國萊布尼茨大學理論物理學家Elina Fuchs說：“我們借此將能夠探測目前方法無法探測到的暗物質和基礎物理場景。”

奧地利維也納理工大學和德國國家計量研究所（PTB）合作取得了這項突破，涉及使用紫外線激光促使放射性金屬釷-229的原子核在能量狀態之間切換，被原子核吸收和發射的光的頻率就像時鐘的滴答聲一樣。4月29日，相關成果在《物理評論快報》上發表。

“這是許多科學團體近半個世紀努力的結晶。”美國得克薩斯農工大學物理學家Olga Kocharovskaya說。

光學時鐘計時非常精確，大約每300億年誤差只有1秒。它們的滴答由可見光的頻率所控制，該頻率是使電子繞著一個原子（比如鍶）在不同能態之間移動所需的。

但核時鐘可以表現得更好。它使用更高能的躍遷，將原子核的質子和中子提升到更高的能態。這將使用略高頻率的輻射，意味著時間可以被分割得更精細以創建更精確的時鐘。更重要的是，核時鐘將比光學時鐘穩定得多，因為原子核中的粒子對外部場或溫度的敏感性不如電子。

但事實證明，找到一種具有合適原子核的材料是困難的，大多數原子核的能量躍遷往往是巨大的。20世紀70年代，物理學家發現釷-229是異常的，它的第一個能態非常接近其最低基態。2003年，物理學家提出使用釷-229作為超穩定時鐘的基礎，但他們需要找到躍遷的精確能量及其相應的激光頻率，而這是無法用理論準確預測的。從那時起，實驗學家使用了一系列方法來縮小數據范圍。

研究人員將放射性釷原子放入幾毫米寬的氟化鈣晶體中，并用特制的激光掃描預期區域，最終達到了正確頻率——大約2拍赫茲（每秒1015次振蕩），他們通過觀察原子核回到較低能態時發射的光子探測到這一頻率。

論文作者之一、奧地利維也納科技大學原子物理學家Thorsten Schumm回憶說，他清楚地記得，在隨即召開的討論會上，他在自己的實驗記錄本上用大紅字寫下“發現了”。

Schumm團隊精確定位了頻率，其分辨率比下一次最佳嘗試高出800倍。論文作者之一、PTB物理學家Ekkehard Peik說，美國加利福尼亞大學大學洛杉磯分校的一個研究團隊以不同晶體、相同頻率重現了這一結果。他認為，這是“一個非常好的確認”。

Peik說，為了把這個系統變成一個真正的時鐘，物理學家需要顯著降低激光的分辨率，這樣它才能以幾乎完全正確的頻率刺激原子核，從而可靠地讀取。

Kocharovskaya表示，建造這樣的激光器“仍然是一個巨大的挑戰，但毫無疑問，它將在不久的將來實現”。

如果一切順利，研究團隊表示，基于釷的核時鐘最終可能比最好的光學時鐘精確10倍左右。“正是對外部擾動的魯棒性使其成為更好的時鐘。”Schumm說。將原子核置于固體晶體中也有助于核時鐘更緊湊便攜。

物理學也可能因此在更深層次上受益。Fuchs說，核時鐘對基本常數（如電磁力和強核力）變化的敏感性是光學時鐘的1萬倍左右。這意味著研究人員可以探測到暗物質的形式。物理學家認為暗物質是一種不可見的物質，占宇宙物質的85%，并且預測它會使這些力的強度產生微小變化。

Fuchs說：“可能有非常‘輕’的暗物質在擺動，這可能會使這些基本常數擺動。”她說，核時鐘可能能夠檢測到這種擺動，因為它們轉變的能量由這些力決定的，而強度的任何變化都會以可測量的方式改變時鐘的滴答聲。

她補充說，核時鐘還可以探測一些粒子的質量是否隨時間的推移而變化。Fuchs及其合作者已經在頻率測量的基礎上撰寫了第一篇論文。“這讓我們非常興奮。”她說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.182501