JILA 研究人员正在开发使用钍-229 的核钟，与原子钟相比，它具有前所未有的稳定性。通过将钍嵌入固态晶体，他们发现了一种对温度变化有较大抵抗力的核跃迁，这对于精确计时至关重要。他们的工作不仅可以重新定义计时，还可以为探测新物理学打开大门。
持续监测掺钍氟化钙晶体的温度，同时使用 VUV 频率梳直接解析核跃迁的各个量子态。图片来源：Steven Burrows/JILA
超越原子钟
几十年来，原子钟一直是精密计时的标准，在GPS导航、物理研究和基础科学测试中发挥着至关重要的作用。现在，由物理学教授叶军领导的 JILA 研究人员与维也纳技术大学合作，正在探索一种更稳定的替代品：核钟。与依赖电子跃迁的原子钟不同，这种新时钟基于钍-229 原子核内的低能跃迁。由于核跃迁受环境干扰的影响较小，因此基于钍的时钟可以提供前所未有的稳定性，并可用于测试超出标准模型的物理学。
叶的实验室多年来一直在研究核钟。他们去年在《自然》杂志上发表的一项具有里程碑意义的实验，首次在特殊设计的晶体中对钍-229 核跃迁进行了基于频率的量子态分辨测量。这证实了这种跃迁可以以足够的精度进行测量，从而作为可靠的计时参考。
了解温度对核跃迁的影响
为了开发实用的核钟，科学家需要了解外部因素（尤其是温度）如何影响核跃迁。在一项被《物理评论快报》评为“编辑精选”的新研究中，研究小组分析了钍原子核的能级如何随着晶体被加热到不同的温度而发生变化。这项研究是建造超稳定核钟的关键一步。
“这是表征核时钟系统特征的第一步，”JILA 博士后研究员、这项研究的第一作者 Jacob Higgins 博士说。“我们发现了一种对温度相对不敏感的转变，这正是我们想要的精密计时设备。”
“固态核钟极有可能成为一种坚固、便携且高精度的计时设备，”叶军指出。“我们正在寻找紧凑型核钟的参数空间，以保持 10-18 分数频率稳定性，从而实现连续运行。”
核钟的精度
由于原子核受环境干扰的影响小于电子，核钟可以在原子钟出现故障的情况下保持准确度，因为核钟对噪音的抵抗力更强。在所有其他原子核中，钍-229 特别适合这样做，因为它的核跃迁能量异常低，因此可以用紫外激光而不是高能伽马射线进行探测。
与在离子阱系统中测量钍不同，叶实验室采用了一种不同的方法：将钍-229 嵌入固态宿主——氟化钙 (CaF₂) 晶体中。这种方法由维也纳技术大学的合作者开发，与传统的离子阱技术相比，钍核的密度要高得多。核越多意味着信号越强，测量核跃迁的稳定性就越好。
加热核钟
为了研究温度如何影响核跃迁，研究人员将掺钍晶体冷却和加热到三种不同的温度：用液氮加热到 150K（-123°C），用干冰-甲醇混合物加热到 229K（-44°C），以及 293K（室温左右）。他们使用频率梳激光测量了核跃迁频率在每个温度下的变化，揭示了晶体内两种相互竞争的物理效应。
其中一个影响是，随着晶体变暖，晶体会膨胀，从而微妙地改变原子晶格，并改变钍原子核所经受的电场梯度。这种电场梯度导致钍跃迁分裂成多条谱线，这些谱线会随着温度的变化而向不同的方向移动。第二个影响是，晶格膨胀还改变了晶体中电子的电荷密度，改变了电子与原子核的相互作用强度，导致谱线向同一方向移动。
找到温度“最佳点”
当这两种效应争夺对钍原子的控制权时，观察到一种特殊的转变对温度的敏感性远低于其他转变，因为这两种效应大多相互抵消。在所检查的整个温度范围内，这种转变仅偏移了 62 千赫，这种偏移至少比其他转变小 30 倍。
“这种转变对时钟应用来说很有前景，”JILA 研究生张传昆补充道。“如果我们能进一步稳定它，它可能会真正改变精密计时的格局。”
下一步，该团队计划寻找一个温度“最佳点”，使核跃迁几乎完全不受温度影响。他们的初步数据表明，在 150K 到 229K 之间，跃迁频率更容易实现温度稳定，为未来的核钟提供理想的运行条件。
定制核钟系统
制造一种全新类型的时钟需要设计独一无二的设备，而其中许多设备并不存在所需的定制水平。多亏了 JILA 的仪器车间及其机械师和工程师，该团队才能够为他们的实验制造出关键部件。
Higgins 指出：“Kim Hagan 和整个仪器车间在整个过程中都提供了极大的帮助。他们加工了用于放置掺钍晶体的晶体支架，并建造了冷阱系统的部件，使我们能够精确控制温度。”
拥有内部加工专业知识使研究人员能够快速迭代设计并确保即使是很小的更改（例如更换晶体）也可以轻松完成。
“如果我们只使用现成的部件，我们就不会对我们的设置有同样的信心，”另一位团队成员 JILA 研究生 Tian Ooi 补充道。“仪器店提供的定制部件为我们节省了很多时间。”
超越时间的感知
虽然这项研究的主要目标是开发一种更稳定的核钟，但其意义远不止计时。钍核跃迁对其环境的干扰非常不敏感，但对基本力的变化却非常敏感——其频率的任何意外变化都可能预示着新的物理学，例如暗物质的存在。
“核跃迁的灵敏度可以让我们探索新的物理学，”希金斯解释道。“这不仅能制造出更好的时钟，还能为研究宇宙的全新方式打开大门。”
编译自/ScitechDaily