美国实验天体物理联合研究所（JILA）研究团队直接测量得到钍-229核钟跃迁和锶-87原子钟的频率比为4.707072615078(5)，钍-229的核跃迁频率为2,020,407,384.335(2) kHz，这一结果比以往精度提高了六个数量级，极大推进了钍-229核钟的研究。该研究代表了精密计量学、超快强场物理、核物理和基础物理的融合，标志着基于原子核的固态光钟的开端。该成果于9月4日发表在《自然》杂志上。
© Nature 研究论文以《钍-229核异构跃迁与锶-87原子钟的频率比(Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock)》为题发表于《自然》杂志
原子钟使用激光来计时，是世界上最精确的时钟。原子钟中，光的频率被精确地调整，以匹配电子在原子的两个能级之间移动所需的能量。当前最精确的原子钟是同样由JILA团队在今年7月实现的锶原子光钟，这种原子钟对外部扰动基本上不敏感，精度达到了8E-19，相当于大约每400亿年才会有一秒的误差。
核钟则是一种通过测量原子核内微小的能量变化来计时的装置。它的工作原理：滴答声将对应于质子和中子重新排列进入激发态时的能量转变。核钟最大的潜在优势在于精度和稳定性的结合。原子核中的粒子比普通原子小10万倍，相较于电子，对电磁场等的干扰不那么敏感，这意味着核钟可以做到便携且稳定。核跃迁的频率通常比原子跃迁的频率高至少1万倍，这使得核钟可以达到或超过原子钟的精度。特别的，通过对质子和中子的轻微重排，钍-229只需要8.4电子伏特就能从基态跃迁到长寿命的激发态。这个能量相对于使原子核聚集在一起的核力和电磁力是非常小的。
研究人员使用一种被称为频率梳的激光设备探测了镶嵌在晶体中的钍-229原子核。 Credit: Ye Labs, JILA, NIST and Univ. Colorado
研究团队使用真空紫外（VUV）光频梳系统，在嵌入于氟化钙晶体中的数万亿个钍-229原子中寻找跃迁频率。光频梳的设置——包括频率线之间的间隙宽度——是用原子钟校准的，且可以被调整，它使物理学家能够测量钍-229原子核时钟的频率与另一个已知频率（用于校准的锶原子钟）的比率，从而高精度地确定绝对频率值。研究团队进行了数次实验，观察到的核激发态的寿命约为10分钟，这意味着该系统可以用来产生2 PHz频率(1 PHz为1015 Hz)的时钟滴答，且仅有微赫兹的不确定性。
© Nature 同位素钍-229的原子核嵌入在透明的氟化钙晶体中，在真空紫外光的精确能量下被激发，这种光来自于研究团队定制的真空紫外频率梳。频率梳是一种专门的激光器，它产生的光谱由等距的、精确已知的频率组成。当被激发时，钍原子核会发射光子，产生一种可以被探测到的信号，这种信号可以稳定世界上最精确的时钟。研究团队调整了他们的频率梳来激发钍-229的核跃迁，并将这种跃迁的频率与锶原子钟的频率进行比较。
这项研究为物理学开辟了许多新的可能性。更紧凑的 VUV 频率梳可以制造具有许多潜在应用的小型、稳定的时钟。受激发的钍-229 原子核可以用作量子比特（qubit）来存储和处理量子信息。单个捕获的钍-229离子也可用于构建 VUV 核钟，监测此种核钟的跃迁频率如何随时间变化，可能会揭示精细结构常数（它量化带电粒子之间电磁相互作用的强度）以及核粒子之间耦合的微小变化，这些都将激发对新物理学的探索。
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https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6
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