投稿到接收仅27天，中国青年学者一作兼通讯，登上Nature封面，被Science誉为突破性进展!

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-09-05 07:59

正文

突破性进展，有望开启超精密核钟的新时代！

2024年5月的某个晚上11点30分，研究生张传坤看到了物理学家50年来一直在寻找的信号。当科罗拉多州博尔德市JILA研究所显示器上的静电达到峰值时，张在群聊（有三位实验室同伴）中放出了一张屏幕截图。他们一一从床上跳下来，去了实验室。经过几次健全性检查，以确保他们所看到的是真实的，年轻的研究人员拍了一张自拍照来纪念这一时刻。

当天早上的晚些时候，在与小组组长、世界上最精确原子钟的建造者叶军院士举行的每周会议上，他们决定保持冷静。“他们都面无表情，”叶说，直到张传坤分享了一张幻灯片，展示了一直寻找的山峰。上午 9 点 30 分，当大家碰杯香槟时，叶的眼泪夺眶而出。

为什么这项成果如此的激动人心？

众所周知，测量时间有着悠久的创新历史：从计算月相到钟摆和石英振荡器的发明。目前全球计时标准是一种基于铯原子微波频率跃迁的原子钟。这些精巧的机器在各大洲之间精确同步，至少精确到十六位数字，使太空任务成为可能，并帮助人们使用精确到一米以内的 GPS 导航。

另一种不同类型的原子钟使用在光学（而不是微波）范围内发射光的跃迁。光学时钟比铯钟提供更精确的计时。不同离子和原子中的跃迁被用于光学时钟，它们的振荡频率通过频率梳相互比较并与铯钟进行比较。这些激光系统以数百万个离散频率同步发射光，因此它们的光谱类似于带有均匀、精确已知间距的齿的长梳子。这些频谱类似于在一架巨大的完美调音的三角钢琴上同时敲击一百万个琴键所产生的声谱。任何光频率都可以调谐到最近的梳齿。

原子钟是精确计时的巅峰之作，用于定义秒并纳入 GPS 和电信网络。但或许不会持续太久。通过精确放大原子核中的特定能量转变，研究人员比以往任何时候都更接近于构建一种新型计时器：核钟。此类设备在准确性和稳定性方面可能超越当今最先进的原子钟，这让科学家们很高兴将它们用作暗物质和其他基本物理问题的探测器。

张传坤博士与叶军院士的研究成果以题为“Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock”发表在最新一期《Nature》上，并被选为当期封面，从投稿到接收仅仅27天，同时被《Science》News系列报道。这项成果发起了一项新的努力：科学家现在将尝试利用这一转变来观察物理定律是否随着时间的推移而变化，正如许多基础物理理论所预测的那样）。

具体而言，科罗拉多大学叶军院士与团队成员张传坤使用 VUV 频率梳直接激发固态 CaF₂ 主体材料中的窄 ²²⁹Th 核时钟跃迁，并确定绝对跃迁频率。他们将基频梳稳定到 JILA ⁸⁷Sr 时钟，并通过使用飞秒增强腔将基频相干上变频到 VUV 范围内的第七谐波。这种VUV梳在核能级和电子能级之间建立了频率联系，使他们能够直接测量229核钟跃迁和⁸⁷Sr原子钟的频率比。作者还精确测量核四极分裂并提取异构体的内在特性。这些结果标志着基于核的固态光学钟的开始，并展示了据作者所知，用于基础物理研究的核钟和原子钟的首次比较。这项工作代表了精密计量学、超快强场物理、核物理和基础物理的融合。

张传坤，本文一作兼通讯。2013年保送清华，获得物理奥赛全国一等奖。2015年，代表清华，获得全国大学生物理实验竞赛之基础性题目竞赛全国一等奖。现正在科罗拉多大学博尔德分校物理系从事 XUV 频率梳项目，为 ^229mTh 原子核的直接激光光谱构建 XUV 频率梳。

【多方合作】

如果原子跃迁像计时器一样成功，那么原子核呢？它比普通原子小 100000 倍，因此不易受到环境影响？核跃迁频率通常比原子跃迁高至少 10000 倍，但钍 229 是个例外：通过其质子和中子的轻微重排，它只需要 8.4 电子伏特 (eV) 即可从最低能量（地）状态到长寿命的兴奋状态。就将原子核保持在一起的核力和电磁力而言，这种能量非常小。因此，一旦运行，超精密核钟就可以揭示宇宙的秘密之一，如下所示。核力和电磁力总是恒定的，还是由于尚未确定的机制，它们在时间中缓慢漂移？

当研究人员第一次开始研究是否可以通过这种转变来回答这些问题时，他们的研究基于之前的测量，表明所需的能量为 3.5 eV，这意味着这种转变可以由传统激光器驱动。随后的测量反而推断出大约 7.8 eV 的差异，这种能量落在真空紫外 (VUV) 光谱区域，也可能触发原子释放电子而不是辐射（电子释放是一个更快且不需要的过程）。此外，用激光达到这种能量是非常棘手的。然而核钟的前景仍然诱人。

作为这项努力的一部分，本文的令人印象深刻的壮举是真正的全球合作的结果。第一步涉及找到一种可以嵌入钍229原子核的材料——理想情况下是对VUV辐射透明并且可以避免不需要的电子发射的材料。至少有两个团队正在努力实现这一目标，其中一个在奥地利，其中包括本文涉及的三名作者。通过专门的晶体生长专业知识，该小组成功地使氟化钙晶体满足了要求。

去年，这些晶体被用于欧洲核子研究中心（位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室）的一项实验中。该团队将足够数量的激发态钍229离子注入氟化钙晶体中，以便使用VUV光谱仪直接检测到发射的光子。这项研究提高了光子能量估计的准确性，将其达到8.3eV，并加速了开发能够激发这种转变的激光器的竞赛。

在此期间，一个德国小组建造了能够完成这项任务的强大VUV激光器，这些科学家与奥地利晶体种植者小组一起实现了钍229核跃迁的首次激光激发。在此过程中，他们达到了一种精度，使他们离光频率计量又近了一步。

与此同时，参与当前工作的其他作者开发了一种VUV频率梳，可以激发核跃迁，并同时与附近由锶原子调节的光学时钟同步。张传坤等人将奥地利晶体装置带到了美国，在那里他们用VUV频率梳驱动激发，创造了历史。作者通过反复实验表明，这种频率梳可以激发核跃迁，并读出其频率与锶跃迁频率的关系（图1）。他们观察到的核激发态的寿命约为10分钟，这意味着该系统可用于产生2拍赫兹频率（1PHz为10¹⁵Hz）但具有微赫兹不确定性的时钟。

图 1. ²²⁹Th 核钟跃迁的VUV梳状光谱

张传坤等人总共发现了七个跃迁，其中五个跃迁是预期的，这是由于原子核的电荷分布与晶体的强固有电场相互作用而产生的能级分裂。这些转变以2PHz的频率为中心，作者可以以12位数字的精度进行精确定位，比锶记录低6位数字。目前，任何更高精确度的希望都因梳齿的宽度而变得复杂，梳齿的宽度因其生成过程而变宽。出于计量目的，需要进一步改进以缩小这些齿，可能通过将现有技术9从光学频率范围转移到VUV频率范围。

图 2. 全范围梳状扫描

核钟的另一个诱人的物理应用是寻找暗物质的候选粒子，这种看不见的物质被认为占宇宙质量的85%。许多模型提出超轻暗物质粒子将与强核力直接相互作用，强核力将原子核中的质子和中子结合在一起。如果这些粒子与钍原子核相互作用，它们就会扰乱跃迁频率，从而以可检测的方式扰乱时钟。这项工作已经以前所未有的细节揭示了核行为。JILA测量提供的证据表明，钍等原子核在激发态和基态之间移动时会意外地膨胀和收缩。

图 3. 线路形状和中心频率确定

图 4. 绝对频率测定

图 5. 核电四极结构的直接光谱测量

【愿景】

更重要的是，它发起了一项新的努力：研究人员现在将尝试利用这一转变来观察物理定律是否随着时间的推移而变化，正如许多基础物理理论所预测的那样。由于钍229原子核中自然四种力中的两种明显是偶然的、几乎完全抵消的，核钟转变对这些力的变化极其敏感。因此，在不同时间测量钍-229的转变可以揭示物理基本常数的任何变化。

尽管确切的跃迁频率可能取决于氟化钙主体的性质，但即使是最小的晶体也可以容纳大量的钍229原子。这使得可以对许多核跃迁取平均值并获得可重复的频率值。比张传坤报道的更紧凑的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核也可以用作量子位（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，与现有的类似光学原子钟相比，该核钟对其环境的敏感度较低。一个令人兴奋的前景涉及监测核钟的跃迁频率如何随时间变化。这可以揭示精细结构常数（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假设微小变化，所有这些都将激发对新物理学的探索。因此，张传坤等人的惊人成就预示着许多令人着迷的未来发现，并为三十年来的精彩研究画上句号。

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来源：高分子科学前沿

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