激光照射到氣體射流中，與真空室中剩余的氣體相互作用時，會留下一條白線，這有助精確測量激發(fā)釷-229原子核所需的能量。圖片來源：實驗天體物理聯(lián)合研究所
近日出版的《自然》雜志封面故事帶來一項新突破：由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合成立的實驗天體物理聯(lián)合研究所（JILA）領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊，成功展示了核鐘的關(guān)鍵技術(shù)。
這支頂尖科研團隊運用專門設(shè)計的紫外線激光，對嵌入固體晶體的釷原子核中能量躍遷的頻率進行了精確測量，同時借助光學(xué)頻率梳（類似極其精確的光尺），計算出產(chǎn)生該能量躍遷的紫外線波周期數(shù)。此次實驗涵蓋了核鐘的所有關(guān)鍵技術(shù)，為核鐘的進一步發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
核鐘的出現(xiàn)有望帶來諸多重大變革。這是因為，原子鐘是通過調(diào)整激光頻率使電子在能級之間跳躍來測量時間，而核鐘則只利用原子中心微小區(qū)域——原子核內(nèi)的能量跳躍。原子核受外界干擾的影響遠小于原子鐘中的電子，引起原子核能量躍遷所需的激光頻率也比原子鐘高得多，這意味著每秒有更多的波周期，與每秒更多的“滴答”次數(shù)直接相關(guān)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的計時。
然而，大多數(shù)原子核需要相干X射線（高頻光）撞擊才能實現(xiàn)能量躍遷，遠超現(xiàn)有技術(shù)所能產(chǎn)生的能量。為此，科學(xué)家將目光聚焦在釷-229上。這種原子的原子核能量躍遷比任何其他已知原子都小，只需紫外光（能量低于X射線）激發(fā)即可。
新研究中，JILA團隊利用釷-229核躍遷，產(chǎn)生了時鐘的“滴答聲”。激光在原子核的各個量子態(tài)之間產(chǎn)生精確的能量跳躍，頻率梳可直接測量這些“滴答聲”。此次工作精度比以前基于波長的測量高出一百萬倍。團隊還建立了核躍遷和原子鐘之間的首個直接頻率鏈接。這一直接頻率鏈接和精度的提高，無疑是開發(fā)核鐘并與現(xiàn)有計時系統(tǒng)集成的關(guān)鍵一步。
核鐘比原子鐘更加精確。對普通民眾來說，這意味著更準(zhǔn)確的導(dǎo)航系統(tǒng)、更快的互聯(lián)網(wǎng)速度、更可靠的網(wǎng)絡(luò)連接以及更安全的數(shù)字通信。不僅如此，核鐘在改進宇宙基本理論方面也具有巨大潛力，可幫助探測暗物質(zhì)、驗證自然常數(shù)是否恒定等，甚至無需大型粒子加速器設(shè)施即可驗證粒子物理學(xué)理論。此次研究取得了前所未有的成果，盡管它目前還不是一臺可正常運轉(zhuǎn)的核鐘，但無疑這是朝著制造便攜且高度穩(wěn)定的核鐘邁出的最關(guān)鍵一步。
