科學家成功展示核鐘所有關鍵技術

科技日報北京9月8日電（記者張夢然）近日出版的《自然》雜志封面故事帶來一項新突破：由美國國家標準與技術研究所和科羅拉多大學博爾德分校聯合成立的實驗天體物理聯合研究所（JILA）領導的國際團隊，成功展示了核鐘的關鍵技術。

這支頂尖科研團隊運用專門設計的紫外線激光，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，同時借助光學頻率梳（類似極其精確的光尺），計算出產生該能量躍遷的紫外線波周期數。此次實驗涵蓋了核鐘的所有關鍵技術，為核鐘的進一步發展奠定了堅實基礎。

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釷229原子核所需的能量。

圖片來源：實驗天體物理聯合研究所

核鐘的出現有望帶來諸多重大變革。這是因為，原子鐘是通過調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域——原子核內的能量跳躍。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”次數直接相關，從而能夠實現更精確的計時。

然而，大多數原子核需要相干X射線（高頻光）撞擊才能實現能量躍遷，遠超現有技術所能產生的能量。為此，科學家將目光聚焦在釷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）激發即可。

新研究中，JILA團隊利用釷229核躍遷，產生了時鐘的“滴答聲”。激光在原子核的各個量子態之間產生精確的能量跳躍，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，無疑是開發核鐘并與現有計時系統集成的關鍵一步。

核鐘比原子鐘更加精確。對普通民眾來說，這意味著更準確的導航系統、更快的互聯網速度、更可靠的網絡連接以及更安全的數字通信。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、驗證自然常數是否恒定等，甚至無需大型粒子加速器設施即可驗證粒子物理學理論。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的核鐘，但無疑這是朝著制造便攜且高度穩定的核鐘邁出的最關鍵一步。

來源： 科技日報