原子核时钟将基于原子核内部的变化来测量时间，这将使它们对外部干扰不那么敏感，并且可能比原子钟更准确。这些时钟可以改进计时和导航，加快互联网速度，并推动基础物理学研究的进步。科学家们已经展示了核钟的关键组成部分，例如对钍229-原子核中能量跃迁的精确频率测量。
世界通过原子钟的滴答声来计时，但一种正在开发的新型时钟——核时钟——可能会彻底改变我们测量时间和探索基本物理学的方式。
近日，由美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所JILA的科学家领导的一个国际研究小组展示了核时钟的关键要素。核时钟是一种新型的计时装置，它利用来自原子核或原子核的信号来计时。该团队使用专门设计的紫外激光器来精确测量嵌入固态晶体中的钍核中能量跃迁的频率。他们还使用了光学频率梳，它的作用就像一把极其精确的光尺，来计算产生这种能量跃迁的紫外线波周期数。虽然这个实验室演示并不是一个开发完成的核时钟，但它包含了一个核时钟的所有关键技术。
核时钟可能比目前的原子钟准确得多，原子钟提供官方国际时间，并在GPS和互联网同步等技术和应用以及金融交易中发挥着重要作用。对于普通公众来说，这一发展最终可能意味着更精确的导航系统（无论是否使用GPS）、更快的互联网速度、更可靠的网络连接和更安全的数字通信。
除了日常技术之外，核时钟还可以改进对宇宙运作基本理论研究的测试工作，使更多的物理学新发现成为可能。它们可以帮助探测暗物质或验证自然常数是否真的恒定，从而可以在不需要大型粒子加速器设施的情况下验证粒子物理学理论。
原子钟通过将激光调谐到导致电子在能级之间跃迁的频率来测量时间。核时钟将使用原子微小的中心区域（称为原子核）内的能量跃迁，质子和中子紧密聚集在这一区域。这些能量跃迁很像拨动电灯的开关。使用精确计算的具有这次跃迁所需能量的激光束就可以拨动这个原子核“开关”。
核时钟在时钟精度方面将具有主要优势。与原子钟中的电子相比，原子核受杂散电磁场等外部干扰的影响要小得多。在原子核中引起能量跃迁所需的激光频率比原子钟所需的频率高得多。这种更高的频率——意味着每秒更多的波周期——这与每秒更多的“滴答”次数直接相关，因此能实现更精确的计时。
但是制造核时钟非常困难。为了产生能量跃迁，需要使大多数原子核被能量远大于当前技术能够产生的相干X射线（一种高频光线）击中。因此，科学家们将注意力集中在钍229上，这种原子的原子核内的能量跃迁比任何其他已知原子都小，仅需要紫外线（能量低于X射线）即可。
1976年，科学家们发现了这种钍能量跃迁，物理学中称为“核跃迁”。2003年，科学家们提出使用这种跃迁来制造时钟，但他们直到2016年才直接观察到它。今年早些时候，两个不同的研究小组使用他们在实验室中创建的紫外线激光器尝试拨动核“开关”并测量其所需的光波长。
在新的工作中，JILA的研究人员和他们的同事们构建了时钟的所有重要部分：提供时钟“滴答声”的钍229核跃迁，在原子核的各个量子态之间产生精确能量跳跃的激光，以及用于直接测量这些“滴答声”的频率梳。这项工作实现了比以往基于波长的测量精度高出一百万倍的水平。此外，他们将这种紫外线频率直接与世界上最精确的原子钟之一（锶原子种）使用的光学频率进行了比较，成功建立了核跃迁和原子钟之间的第一个直接频率链接。这种直接的频率链接和测量精度的提高是开发核钟并将其与现有计时系统集成的关键一步。
这项研究已经取得了前所未有的成果，包括能够观察到以前从没有人见到的钍原子核内形状的细节——就好比从飞机上看见地面上一片小草的叶身一样。
相关研究成果于9月4日发表于《Nature》期刊（DOI: 10.1038/s41586-024-07839-6）。
虽然这还不是一个功能完备的核时钟，但它是朝着建造这样一个既便携又高度稳定的核时钟迈出的关键一步。使用嵌入固态晶体中的钍，再加上原子核对外部干扰的低敏感性，为潜在的紧凑和可靠的计时设备铺平了道路。
“想象一下，即使连续运行数十亿年，也不会丢失一秒的手表，”美国国家标准与技术研究院（NIST）和JILA的物理学家Jun Ye表示。“虽然我们还没有完全达到那个水平，但这项研究让我们更接近那种精度。”
研究团队包括来自JILA、维也纳量子科学与技术中心和IMRA America Inc.的研究人员。
