“核時(shí)鐘”的技術(shù)突破為超精準(zhǔn)計(jì)時(shí)鋪平了道路

核時(shí)鐘是一種通過(guò)測(cè)量原子核內(nèi)微小能量躍遷計(jì)時(shí)的設(shè)備。物理學(xué)家已經(jīng)知曉了制造核時(shí)鐘需要的所有組件。這類(lèi)時(shí)鐘可能會(huì)大大提高測(cè)量精度，從而為基礎(chǔ)物理學(xué)帶來(lái)新的洞見(jiàn)。

研究人員測(cè)量了激發(fā)稀有同位素釷-229到更高能量態(tài)的光的頻率，且精確度是此前所有實(shí)驗(yàn)的10萬(wàn)倍以上，具體方法是把這種能量躍遷同目前世界上最精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步起來(lái)。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的科學(xué)家是科羅拉多大學(xué)博爾德分校下屬實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所的物理學(xué)家葉軍和張傳坤團(tuán)隊(duì)，相關(guān)文章發(fā)表在2024年9月的《自然》雜志上。

這次突破來(lái)自研究人員利用一種稱(chēng)為“頻率梳”的激光設(shè)備探測(cè)釷-229原子核的實(shí)驗(yàn)。從技術(shù)角度上說(shuō)，這個(gè)裝置還不能算是鐘，因?yàn)檠芯咳藛T并沒(méi)有直接用它測(cè)量時(shí)間。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)出彩，完全可能推動(dòng)核時(shí)鐘的進(jìn)步。

精確測(cè)量對(duì)粒子物理學(xué)而言相當(dāng)有用。另外，因?yàn)楹藭r(shí)鐘的頻率是由把原子核聚集在一起的基本力決定的，所以利用這種核時(shí)鐘可以研究是否存在某種暗物質(zhì)——暗物質(zhì)是一種看不見(jiàn)的物質(zhì)，占到宇宙物質(zhì)總量的85%左右——可以在極小的尺度內(nèi)影響這些力。這是直接研究核力的一扇新窗戶(hù)。

目前，全世界性能最優(yōu)秀的時(shí)鐘稱(chēng)為“原子鐘”，它利用激光計(jì)時(shí)——極為精確地調(diào)整激光頻率，使其完美匹配激發(fā)原子內(nèi)電子在兩個(gè)能級(jí)之間躍遷需要的能量。最精確的原子鐘每40億年才會(huì)走快或走慢1秒。核時(shí)鐘的工作原理與原子鐘稍有不同：核時(shí)鐘利用的是質(zhì)子與中子進(jìn)入激發(fā)態(tài)時(shí)的能量變化。

質(zhì)子和中子的能量變化對(duì)應(yīng)的激光頻率也略高（紫外波段），因此，核時(shí)鐘的走動(dòng)精度完全可以媲美并且超過(guò)原子鐘。不過(guò)，核時(shí)鐘的最大潛在優(yōu)勢(shì)是精確度和穩(wěn)定性的結(jié)合。相比電子，原子核內(nèi)的粒子對(duì)電磁場(chǎng)之類(lèi)的擾動(dòng)不那么敏感，這意味著核時(shí)鐘可以做到既穩(wěn)定又便攜。

然而，為了找到合適的原子核，并確定誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)變到不同能量態(tài)需要的頻率，物理學(xué)家已經(jīng)奮斗了50年。直到2023年，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)躍遷需要的頻率。然后就是2024年，他們成功地用激光切實(shí)觸發(fā)了這種躍遷。

實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所團(tuán)隊(duì)運(yùn)用一種稱(chēng)為頻率梳的系統(tǒng)尋找晶體內(nèi)數(shù)萬(wàn)億個(gè)釷-229原子的躍遷頻率。頻率NM4bXqBBDBYB+fsGEK7Lj92xqxnQfQ2ZUrA2gehHeRY=梳會(huì)輸出一組間隔規(guī)律且均勻、明確的激光頻率線(xiàn)。這樣一來(lái)，研究人員就能一次用多種精確的頻率照射晶體以尋找合適的頻率，而不是像以前那樣不停地用候選范圍內(nèi)的單一頻率激光費(fèi)力地掃描。

頻率梳的設(shè)置——包括各種頻率線(xiàn)之間的間隔寬度——可以用原子鐘校準(zhǔn)或調(diào)整。葉軍團(tuán)隊(duì)做了幾輪實(shí)驗(yàn)，當(dāng)他們觀(guān)察到釷-229W1/2EyPNolk6wN50MWGSVZBjroN0uLSwTk6JFawcEI8=原子從激發(fā)態(tài)衰變時(shí)產(chǎn)生的指示性閃光后，便通過(guò)相關(guān)裝置計(jì)算信號(hào)頻率。

頻率梳的神奇之處在于，有了它，物理學(xué)家就可以測(cè)量某個(gè)時(shí)鐘走動(dòng)頻率——在葉軍團(tuán)隊(duì)的例子中是釷-229原子——與另一個(gè)已知頻率（在這個(gè)例子中是某個(gè)原子鐘）的比值。張傳坤說(shuō)，這不僅能讓研究團(tuán)隊(duì)以極高的精確度得到絕對(duì)頻率，而且還為物理學(xué)開(kāi)拓了一些很棒的可能性。

如果某個(gè)時(shí)鐘的走動(dòng)速度與另一個(gè)時(shí)鐘的比值會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，那可能就意味著，決定能量高低水平的基本因素——比如強(qiáng)核力或電磁力——正在漂移或波動(dòng)。按現(xiàn)在的理論預(yù)測(cè)，暗物質(zhì)的特定“光”形式就會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)。基本力的任何變化都會(huì)在核原子躍遷頻率中放大，所以，相比原子鐘，核時(shí)鐘對(duì)這類(lèi)暗物質(zhì)效應(yīng)的敏感程度要高上大約1億倍。

不過(guò)，核時(shí)鐘要想真正全面超越原子鐘——后者的精度現(xiàn)在是小數(shù)點(diǎn)后19位——還有更多工作要做。研究人員需要探索制造最精確的計(jì)時(shí)裝置的具體方法究竟是什么：是把釷-229嵌入晶體嗎？畢竟，晶體是固態(tài)的，這點(diǎn)對(duì)便攜式時(shí)鐘的制造來(lái)說(shuō)更為方便。但以多個(gè)單個(gè)原子為單位加以處理是不是會(huì)產(chǎn)生更好的結(jié)果？激光系統(tǒng)也同樣需要進(jìn)一步打磨。幸運(yùn)的是，這項(xiàng)神奇的技術(shù)潛力很大，完全有可能成為未來(lái)時(shí)鐘的原型。