几十年来，原子钟一直是精确计时的巅峰之作，使GPS导航、尖端物理研究以及对基本理论的测试成为可能。近日，由JILA和NIST研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授叶军领导的JILA研究人员与维也纳工业大学合作，正在推动某种物质的原子跃迁转向可能更加稳定的状态，从而满足核钟计时的要求。这个时钟可以利用钍-229原子核内一种独特的低能量跃迁来实现计时。与现代原子钟相比，这种跃迁对环境干扰的敏感度更低，并且已被提议用于标准模型以外的基础物理测试。
这个想法在叶军的实验室里并不新鲜。事实上，实验室对核钟的研究始于一项具有里程碑意义的实验，其结果去年作为《Nature》期刊的封面文章被发表。在该实验中，研究团队首次对掺钍的宿主晶体中的钍-229原子核的能量跃迁过程进行了基于频率的量子态分辨测量。这一成就证实了钍的核跃迁能够以足够高的精度被测量，以用作计时的参照。
然而，要构建一个精确的时钟，研究人员必须全面了解跃迁对外部条件（包括温度）的敏感程度。这就是这项新研究的意义所在——这是一篇发表在《Physical Review Letters》上的“编辑精选”论文，因为该团队研究了当含有钍原子的晶体被加热到不同温度时，钍原子核中的能量转移变化。
“这是对核钟系统特性进行描述的第一步，”该研究的第一作者、JILA博士后研究员Jacob Higgins博士说。“我们发现了一种对温度变化相对不那么敏感的跃迁，这正是我们想要构成的精密计时设备所需要的。”
“固态核时钟有很大的潜力成为一种坚固便携且高精度的计时设备，”叶军指出。“我们正在为紧凑的核时钟确定具体的参数阈值，以使其能够保持10^-18的分数频率稳定性。”
由于原子核受环境干扰的影响比电子小得多，因此核时钟可以在原子钟失效的情况下保持准确性，因为核钟对噪声的抵抗力更强。在所有其他原子核中，钍-229特别适合用于构建核钟，因为它的核跃迁过程仅需要很低的能量，这使得研究人员可以使用紫外线而不是高能伽马射线来探测它。
与在囚禁离子系统中测量钍原子不同，叶军的实验室采用将钍-229嵌入固态宿主——氟化钙（CaF?）晶体中的方法来进行测量。这种方法由他们与维也纳工业大学合作开发的，与传统的离子陷阱探测技术相比，钍原子核的密度要高得多。更多的原子核意味着用于测量核跃迁的探测系统将有更强的信号和更好的稳定性。
为了研究温度对这种核跃迁的影响，研究人员将掺杂钍的晶体冷却和加热到三种不同的温度：用液氮冷却到150K（-123°C）、用干冰-甲醇混合物冷却到229K（-44°C）以及加热到293K（接近室温）。通过使用频率梳激光器，研究人员测量了在不同温度下核跃迁频率的变化情况，揭示了晶体内部两种相互竞争的物理效应。
一方面，随着晶体温度升高，它会膨胀，并使得原子晶格有微妙的变化，从而改变钍原子核所经历的电场梯度。这种电场梯度导致钍原子核的跃迁分裂成多条光谱线，这些光谱线随着温度的变化而向不同的方向移动。另一方面，晶格膨胀也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，导致光谱线向同一方向移动。
当这两种效应争夺对钍原子的控制权时，研究人员观测到一个特殊的跃迁过程，其对温度的敏感性远低于其它跃迁，因为这两种效应在很大程度上相互抵消了。在所探测的整个温度范围内，这种跃迁仅偏移了62kHz，比其它跃迁中的偏移至少小了30倍。
“这种跃迁的探测结果对精确计时应用来说非常有前景，”JILA研究生Chuankun Zhang补充道。“如果我们能够进一步稳定它，它可能会在精准计时领域带来真正的变革。”
下一步，该团队计划寻找一个温度“最佳点”，即在这个点上核跃迁几乎完全不受温度的影响。研究人员的初步数据表明，在150K到229K之间的某个温度，跃迁频率将更容易稳定，这为未来的核时钟提供了理想的运行条件。
制造一种全新的类型的时钟需要量身定制的独特设备，其中大部分设备的现有加工工艺都不满足所需的条件。多亏了JILA的仪器车间及其机械师和工程师，该团队能够为他们的实验制造关键组件。
“Kim Hagan和整个仪器车间在整个过程中都非常有帮助，”Higgins指出。“他们加工了用于固定掺钍晶体的晶体支架，并构建了冷阱系统的部件，使我们能够精确地控制温度。”
拥有内部机械加工专业知识背景的研究人员能够快速迭代设计，并确保即使是很小的改动（例如更换晶体）也可以轻松完成。
“如果我们只使用现成的零件，就不会对我们的设备有同样的信心，”另一名团队成员JILA 研究生Tian Ooi补充道。“仪器车间制造的定制部件为我们节省了大量时间。”
虽然这项研究的主要目标是开发一种更稳定的核时钟，但其影响超出了计时领域。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高度敏感——其频率的任何意外变化，都意味着物理学上的新发现，例如暗物质的存在。
“核跃迁的敏感性可以促进我们对物理学新领域的进一步探索，”Higgins解释说。“除了制造更好的精确计时系统外，它还可以帮助我们打开研究宇宙新方式的大门。”
这项研究得到了美国陆军研究办公室、美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会、量子系统加速器，以及美国国家标准与技术研究院（NIST）的支持。
