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(shí)，會(huì)留下一條白線，這有助精確測(cè)量激發(fā)釷-229原子核所需的能量。圖片來(lái)源：實(shí)驗(yàn)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(lái)一項(xiàng)新突破：由美國(guó)國(guó)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(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所（JILA）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，成功展示了核鐘的關(guān)鍵技術(shù)。
這支頂尖科研團(tuán)隊(duì)運(yùn)用專門設(shè)計(jì)的紫外線激光，對(duì)嵌入固體晶體的釷原子核中能量躍遷的頻率進(jìn)行了精確測(cè)量，同時(shí)借助光學(xué)頻率梳（類似極其精確的光尺），計(jì)算出產(chǎn)生該能量躍遷的紫外線波周期數(shù)。此次實(shí)驗(yàn)涵蓋了核鐘的所有關(guān)鍵技術(shù)，為核鐘的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
核鐘的出現(xiàn)有望帶來(lái)諸多重大變革。這是因?yàn)?，原子鐘是通過(guò)調(diào)整激光頻率使電子在能級(jí)之間跳躍來(lái)測(cè)量時(shí)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(yuǎn)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(jì)時(shí)。
然而，大多數(shù)原子核需要相干X射線（高頻光）撞擊才能實(shí)現(xiàn)能量躍遷，遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)利用釷-229核躍遷，產(chǎn)生了時(shí)鐘的“滴答聲”。激光在原子核的各個(gè)量子態(tài)之間產(chǎn)生精確的能量跳躍，頻率梳可直接測(cè)量這些“滴答聲”。此次工作精度比以前基于波長(zhǎng)的測(cè)量高出一百萬(wàn)倍。團(tuán)隊(duì)還建立了核躍遷和原子鐘之間的首個(gè)直接頻率鏈接。這一直接頻率鏈接和精度的提高，無(wú)疑是開(kāi)發(fā)核鐘并與現(xiàn)有計(jì)時(shí)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵一步。
核鐘比原子鐘更加精確。對(duì)普通民眾來(lái)說(shuō)，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(jìn)宇宙基本理論方面也具有巨大潛力，可幫助探測(cè)暗物質(zhì)、驗(yàn)證自然常數(shù)是否恒定等，甚至無(wú)需大型粒子加速器設(shè)施即可驗(yàn)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(tái)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)的核鐘，但無(wú)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。
