核時鐘倒計時

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

原子內(nèi)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(nèi)的躍遷現(xiàn)象，對時間的測量甚至可以變得更加精確，只是頻率梳的應(yīng)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?？屏_拉多大學(xué)實驗天體聯(lián)合物理研究所物理學(xué)家葉軍和張傳坤等人的團隊報告稱，他們已經(jīng)用定制的頻率梳驅(qū)動了這種獨一無二的躍遷，從而向著打造核時鐘的目標(biāo)邁出了一大步——按物理學(xué)家的想法，核時鐘可以追蹤約束物理世界的基本常數(shù)的最緩慢漂移。

測量時間擁有一段以各種獨創(chuàng)性為標(biāo)簽的悠久歷史：從計算月相周期到鐘擺和石英振蕩器的發(fā)明。目前，全球標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)同步，且至少精確到小數(shù)點后16位。正是有如此精準(zhǔn)的計時系統(tǒng)作基礎(chǔ)，人類才有可能安全執(zhí)行空間任務(wù)，并且使用誤差在1米范圍內(nèi)的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

另有一種原子鐘利用的則是光學(xué)波段（而非微波波段）釋放的光的頻率，即光學(xué)鐘。光學(xué)鐘計時的理論上限比銫時鐘還高。光學(xué)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(tǒng)，以數(shù)百萬個離散的頻率同步發(fā)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(zhǔn)調(diào)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(zhǔn)的時鐘是一種由鍶原子制成的光學(xué)鐘，比標(biāo)準(zhǔn)銫時鐘還要精準(zhǔn)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(yīng)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(huán)境的影響。通常情況下，原子核躍遷的頻率至少比對應(yīng)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(tài)（基態(tài)）躍遷到能長期維持的激發(fā)態(tài)。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(dāng)小了。因此，一旦超精準(zhǔn)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(jù)是早先的實驗測量結(jié)果，該結(jié)果表明所需的能量是3.5電子伏特，這意味著用傳統(tǒng)激光就足以驅(qū)動原子核躍遷。然而，后續(xù)的測量結(jié)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(qū)域內(nèi)。另外，這個能量也可以觸發(fā)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(shù)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(xué)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(huán)節(jié)是找到可以嵌入釷-229原子核的物質(zhì)——理想情況下應(yīng)該對真空紫外線輻射透明，并且應(yīng)該規(guī)避不必要的電子發(fā)射。至少有兩支團隊為這一目標(biāo)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(guān)的晶體生長專業(yè)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(fā)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(zhǔn)確性，并且得到了8.3電子伏特的數(shù)值，進而也加速了能夠激發(fā)相關(guān)躍遷的激光設(shè)備開發(fā)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(wù)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(xiàn)了激光激發(fā)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(jì)錄，從而縮小了核時鐘計時精度與光學(xué)鐘計時精度之間的差距。

與此同時，這項宏大事業(yè)中的其他研究人員研發(fā)出了既可以激發(fā)原子核躍遷，又能與附近鍶原子光學(xué)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(shè)備搬到了美國，并用他們的真空紫外線頻率梳驅(qū)動激發(fā)過程——然后就創(chuàng)造了歷史。這些研究人員通過反復(fù)實驗證明，這種真空紫外線頻率梳可以激發(fā)核躍遷，并且讀出其頻率與鍶原子躍遷頻率之間的關(guān)系。他們觀察到的核激發(fā)態(tài)持續(xù)時間大約為10分鐘，這意味著可以用這個系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)了7種躍遷，其中5種在預(yù)料之中，肇始于原子核電荷分布與晶體強內(nèi)稟電場相互作用而產(chǎn)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(shù)點后12位，比鍶原子光學(xué)鐘的紀(jì)錄還是差了6位?，F(xiàn)在，繼續(xù)提升精確度的難點在于頻率梳齒的寬度——產(chǎn)生梳齒的過程會擴大其寬度。從測量學(xué)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(xiàn)在應(yīng)用于光學(xué)鐘的已有技術(shù)遷移到真空紫外線波長范圍內(nèi)。

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(zhì)，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(fù)現(xiàn)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(yīng)用價值的穩(wěn)定小體積時鐘。我們還可以把受激發(fā)的釷-229原子核應(yīng)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(huán)境的敏感程度甚至可以比現(xiàn)有的類似光學(xué)鐘更低。另一種令人興奮的應(yīng)用前景涉及監(jiān)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(jié)構(gòu)常數(shù)（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(fā)人們尋找全新的物理學(xué)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(xué)發(fā)現(xiàn)的起點——同時也為此前30年的相關(guān)物理學(xué)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(xué)理論物理學(xué)和天體物理學(xué)研究人員；何塞·洛佩茲-烏魯?shù)賮啠↗osé R. Crespo López-Urrutia）是德國馬克斯·普朗克研究所研究人員