核鐘：時間的新紀元

[本刊訊] 時間的精確度對科學研究和人類的生產生活都至關重要，更高的精確度一直是人們努力的目標。從古代的日晷，到近代的機械鐘，再到現代的原子鐘，人類對時間的掌控越來越精細。近日，美國國家標準與技術研究院和科羅拉多大學博爾德分校的葉軍等人實現了一項重大科學突破，它預示著人類對時間的測量可能即將進入新的階段——核鐘的時代，相關研究成果作為“封面文章”于2024年9月4日發表在《自然》（Nature）上。

原子鐘是目前世界上最精確的時間測量工具，它通過電子在原子能級間躍遷時發射和吸收的光頻率來計時。目前最精確的光晶格原子鐘由葉軍等人創造，時間測量誤差在396億年內不到1秒，相關研究成果于2024年7月10日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。但數十年來，科學家們一直在探索一種更為精確的計時方式——核鐘。顧名思義，核鐘是利用原子核能級間躍遷的計時裝置，此躍遷頻率比原子能級間的電子躍遷頻率更高，因此理論上可以提供更精細的時間標準。另外，原子核能級間躍遷對電磁場、溫度等外界環境的敏感度更低，有利于實現穩定的計時。

然而要實現核鐘，面臨著巨大的挑戰，這是因為需要巨大的能量才能把原子核激發到激發態，這超出了現有激光技術的能力。幸運的是，釷-229的原子核具有電子伏特量級的激發態，這使得利用真空紫外激光來激發釷-229原子核成為可能。

此次的重大突破得益于不同領域、不同國家研究團隊的合作。在過去的幾年里，來自奧地利的科學團隊制備出了可以嵌入釷-229原子核的氟化鈣晶體；歐洲核子研究組織的研究人員首次觀察到了釷-229原子核能級間的躍遷。在最新這項研究中，科學家們不僅成功地以極高的精度激發了釷-229原子核的躍遷，還通過頻率梳將其與鍶原子鐘相連。這是核鐘的所有部分首次“同時運行”。

核鐘不僅在計時精度上有望超越原子鐘，它們還具有更高的穩定性。此外，核鐘對于基本物理常量的變化極為敏感，有助于科學家們探索宇宙的基本規律。

（王晉嵐）