近日，JILA （科羅拉多大學(xué)博爾德分校和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所）的研究人員在時(shí)間計(jì)量領(lǐng)域取得重大突破，他們正在研發(fā)一種基于釷 - 229 的核時(shí)鐘，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)超原子鐘，未來(lái)甚至可能重新定義時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，還為探測(cè)新物理現(xiàn)象帶來(lái)希望。

長(zhǎng)期以來(lái)，原子鐘一直是精確計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，在全球定位系統(tǒng)（GPS）導(dǎo)航、物理研究及基礎(chǔ)科學(xué)測(cè)試等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，JILA 的物理學(xué)教授葉軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合維也納技術(shù)大學(xué)，開(kāi)始探索更穩(wěn)定的計(jì)時(shí)設(shè)備 —— 核時(shí)鐘。與依賴電子躍遷的原子鐘不同，這種新型核時(shí)鐘基于釷 - 229 原子核內(nèi)的低能躍遷。由于原子核躍遷受環(huán)境干擾較小，基于釷的核時(shí)鐘有望提供前所未有的穩(wěn)定性，還可用于檢驗(yàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)理論。

葉軍的實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)一直致力于核時(shí)鐘的研究。去年，他們的一項(xiàng)具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn)成果作為封面文章發(fā)表在《自然》雜志上。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員在特殊設(shè)計(jì)的晶體中，首次對(duì)釷 - 229 的核躍遷進(jìn)行了基于頻率的量子態(tài)分辨測(cè)量，證實(shí)了這種躍遷可被精確測(cè)量，足以作為可靠的計(jì)時(shí)參考。

為了研制出實(shí)用的核時(shí)鐘，科學(xué)家們需要了解外部因素，尤其是溫度，對(duì)核躍遷的影響。在一項(xiàng)被《物理評(píng)論快報(bào)》選為 “編輯推薦” 的新研究中，團(tuán)隊(duì)分析了晶體在加熱到不同溫度時(shí)，釷原子核能級(jí)的變化。JILA 博士后研究員雅各布?希金斯博士是該研究的第一作者，他表示：“這是表征核時(shí)鐘系統(tǒng)特性的第一步。我們發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)溫度相對(duì)不敏感的躍遷，這正是精密計(jì)時(shí)設(shè)備所需要的。” 葉軍教授也指出：“固態(tài)核時(shí)鐘極有可能成為堅(jiān)固且便攜的高精度計(jì)時(shí)設(shè)備。我們正在尋找緊湊型核時(shí)鐘的參數(shù)空間，以使其在連續(xù)運(yùn)行時(shí)保持 10 - 18 的分?jǐn)?shù)頻率穩(wěn)定性。”

原子的原子核相比電子受環(huán)境干擾更小，因此核時(shí)鐘在原子鐘可能失效的環(huán)境中仍能保持精確，對(duì)噪聲的抗性更強(qiáng)。在所有原子核中，釷 - 229 因其具有異常低能量的核躍遷而特別適合用于制造核時(shí)鐘，這使得用紫外激光而非高能伽馬射線探測(cè)成為可能。與在捕獲離子系統(tǒng)中測(cè)量釷不同，葉軍實(shí)驗(yàn)室采用了一種新方法：將釷 - 229 嵌入固態(tài)基質(zhì) —— 氟化鈣（CaF?）晶體中。這種方法由維也納技術(shù)大學(xué)的合作者開(kāi)發(fā)，相比傳統(tǒng)離子阱技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)更高的釷核密度，更多的原子核意味著更強(qiáng)的信號(hào)和更好的核躍遷測(cè)量穩(wěn)定性。

在研究溫度對(duì)核躍遷的影響時(shí)，研究人員將摻釷晶體冷卻和加熱到三個(gè)不同溫度：用液氮冷卻至 150K（-123°C），用干冰 - 甲醇混合物冷卻至 229K（-44°C），以及加熱至 293K（接近室溫）。通過(guò)頻率梳激光器，他們測(cè)量了每個(gè)溫度下核躍遷頻率的變化，發(fā)現(xiàn)晶體內(nèi)部存在兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的物理效應(yīng)。隨著晶體升溫膨脹，原子晶格會(huì)發(fā)生微妙變化，改變釷原子核所經(jīng)歷的電場(chǎng)梯度，使釷躍遷分裂成多條譜線，且這些譜線會(huì)隨溫度變化向不同方向移動(dòng)；同時(shí)，晶格膨脹還會(huì)改變晶體中電子的電荷密度，進(jìn)而改變電子與原子核的相互作用強(qiáng)度，使譜線向同一方向移動(dòng)。

在這兩種效應(yīng)的相互作用下，研究人員發(fā)現(xiàn)一種特定的躍遷對(duì)溫度的敏感度遠(yuǎn)低于其他躍遷，兩種效應(yīng)幾乎相互抵消。在整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)，這種躍遷的頻率僅偏移了 62 千赫茲，比其他躍遷至少小 30 倍。JILA 研究生張傳坤表示：“這種躍遷的表現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常有前景。如果我們能進(jìn)一步穩(wěn)定它，將在精密計(jì)時(shí)領(lǐng)域帶來(lái)重大變革。” 下一步，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃尋找一個(gè)溫度 “甜點(diǎn)區(qū)”，使核躍遷幾乎完全不受溫度影響。初步數(shù)據(jù)顯示，在 150K 至 229K 之間的某個(gè)溫度區(qū)間，躍遷頻率更容易實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定，這將為未來(lái)的核時(shí)鐘提供理想的工作條件。

構(gòu)建全新類型的時(shí)鐘需要定制化的設(shè)備，而許多設(shè)備在市場(chǎng)上無(wú)法直接獲取。得益于 JILA 的儀器車間，其擁有專業(yè)的機(jī)械師和工程師，團(tuán)隊(duì)得以制造出實(shí)驗(yàn)所需的關(guān)鍵部件。希金斯提到：“金?哈根和整個(gè)儀器車間在整個(gè)過(guò)程中給予了極大的幫助。他們加工了用于固定摻釷晶體的晶體支架，還制作了冷阱系統(tǒng)的部分部件，使我們能夠精確控制溫度。” 擁有內(nèi)部加工專業(yè)技術(shù)，研究人員可以快速迭代設(shè)計(jì)，輕松完成諸如更換晶體等小改動(dòng)。團(tuán)隊(duì)成員、JILA 研究生田偉補(bǔ)充道：“如果我們只使用現(xiàn)成的部件，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的信心會(huì)大打折扣。儀器車間定制的部件節(jié)省了我們大量時(shí)間。”

這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)雖是開(kāi)發(fā)更穩(wěn)定的核時(shí)鐘，但其意義不止于計(jì)時(shí)。釷核躍遷對(duì)環(huán)境干擾極不敏感，但對(duì)基本力的變化高度敏感，任何頻率的意外偏移都可能暗示新的物理現(xiàn)象，如暗物質(zhì)的存在。希金斯解釋說(shuō)：“核躍遷的敏感性使我們能夠探索新的物理學(xué)。除了制造更好的時(shí)鐘，這還可能為研究宇宙開(kāi)辟全新的途徑。”

該研究得到了美國(guó)陸軍研究辦公室、美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、量子系統(tǒng)加速器以及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的支持。

參考資料：DOI： 10.1103/PhysRevLett.134.113801