JILA大幅提升核跃迁频率测量精度，迈出核钟关键一步

　　美国试验天体物理结合研究所（JILA）研究团队间接丈量获得钍-229核钟跃迁以及锶-87原子钟的频次比为4.707072615078(5)，钍-229的核跃迁频次为2,020,407,384.335(2) kHz，这一成果比以往精度普及了六个数目级，极年夜推进了钍-229核钟的研究。该研究代表了紧密计量学、超快强场物理、核物理以及根蒂根基物理的交融，标记着基于原子核的固态光钟的初步。该结果于9月4日颁发正在《天然》杂志上。

　　© Nature 研究论文以《钍-229核异构跃迁与锶-87原子钟的频次比(Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock)》为题颁发于《天然》杂志

　　原子钟应用激光来计时，是世界上最准确的时钟。原子钟中，光的频次被准确地调解，以婚配电子正在原子的两个能级之间挪动所需的能量。以后最准确的原子钟是一样由JILA团队正在本年7月完成的锶原子光钟，这类原子钟对内部扰动基本上没有敏感，精度到达了8E-19，至关于约莫每一400亿年才会有一秒的误差。

　　核钟则是一种经由过程丈量原子核内弱小的能质变化来计时的安装。它的事情道理：滴答声将对应于质子以及中子从头摆列进入引发态时的能量改变。核钟最年夜的潜正在上风正在于精度以及波动性的联合。原子核中的粒子比平凡原子小10万倍，相较于电子，对电磁场等的滋扰没有那末敏感，这象征着核钟可以做到便携且波动。核跃迁的频次凡是比原子跃迁的频次高至多1万倍，这使患上核钟可以到达或凌驾原子钟的精度。出格的，经由过程对证子以及中子的轻细重排，钍-229只要要8.4电子伏特就能从基态跃迁到长命命的引发态。这个能量绝对于使原子核堆积正在一路的核力以及电磁力长短常小的。

　　研究职员应用一种被称为频次梳的激光设备探测了镶嵌正在晶体中的钍-229原子核。 Credit: Ye Labs, JILA, NIST and Univ. Colorado

　　研究团队应用真空紫外（VUV）光频梳体系，正在嵌入于氟化钙晶体中的数万亿个钍-229原子中寻觅跃迁频次。光频梳的配置——包含频次线之间的间隙宽度——是用原子钟校准的，且可以被调解，它使物理学家可以或许丈量钍-229原子核时钟的频次与另外一个已知频次（用于校准的锶原子钟）的比率，从而高精度地肯定相对频次值。研究团队举行了数次试验，察看到的核引发态的寿命约为10分钟，这象征着该体系可以用来发生2 PHz频次(1 PHz为10¹⁵ Hz)的时钟滴答，且仅有微赫兹的没有肯定性。

　　© Nature 同位素钍-229的原子核嵌入正在通明的氟化钙晶体中，正在真空紫外光的准确能量下被引发，这类光来自于研究团队定制的真空紫外频次梳。频次梳是一种专门的激光器，它发生的光谱由等距的、准确已知的频次构成。当被引发时，钍原子核会发射光子，发生一种可以被探测到的旌旗灯号，这类旌旗灯号可以波动世界上最准确的时钟。研究团队调解了他们的频次梳来引发钍-229的核跃迁，并将这类跃迁的频次与锶原子钟的频次举行比拟。

　　这项研究为物理学斥地了很多新的可能性。更紧凑的 VUV 频次梳可以创造具备很多潜正在使用的小型、波动的时钟。受引发的钍-229 原子核可以用作量子比特（qubit）来存储以及处置惩罚量子信息。单个捕捉的钍-229离子也可用于构建 VUV 核钟，监测此种核钟的跃迁频次怎样随时间变迁，可能会展现精致布局常数（它量化带电粒子之间电磁彼此作用的强度）和核粒子之间耦合的弱小变迁，这些都将引发对新物理学的摸索。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6

报导链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02865-w

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02662-5