科学家成功展示核钟所有关键技术

近日出版的《自然》杂志封面故事带来一项新突破:由美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校联合成立的实验天体物理联合研究所(JILA)领导的国际团队，成功展示了核钟的关键技术。

这支顶尖科研团队运用专门设计的紫外线激光，对嵌入固体晶体的钍原子核中能量跃迁的频率进行了精确测量，同时借助光学频率梳，计算出产生该能量跃迁的紫外线波周期数。此次实验涵盖了核钟的所有关键技术，为核钟的进一步发展奠定了坚实基础。

激光照射到气体射流中，与真空室中剩余的气体相互作用时，会留下一条白线，这有助精确测量激发钍-229原子核所需的能量。

核钟的出现有望带来诸多重大变革。这是因为，原子钟是通过调整激光频率使电子在能级之间跳跃来测量时间，而核钟则只利用原子中心微小区域——原子核内的能量跳跃。原子核受外界干扰的影响远小于原子钟中的电子，引起原子核能量跃迁所需的激光频率也比原子钟高得多，这意味着每秒有更多的波周期，与每秒更多的“滴答”次数直接相关，从而能够实现更精确的计时。

然而，大多数原子核需要相干X射线撞击才能实现能量跃迁，远超现有技术所能产生的能量。为此，科学家将目光聚焦在钍-229上。这种原子的原子核能量跃迁比任何其他已知原子都小，只需紫外光(能量低于X射线)激发即可。

新研究中，JILA团队利用钍-229核跃迁，产生了时钟的“滴答声”。激光在原子核的各个量子态之间产生精确的能量跳跃，频率梳可直接测量这些“滴答声”。此次工作精度比以前基于波长的测量高出一百万倍。团队还建立了核跃迁和原子钟之间的首个直接频率链接。这一直接频率链接和精度的提高，无疑是开发核钟并与现有计时系统集成的关键一步。

核钟比原子钟更加精确。对普通民众来说，这意味着更准确的导航系统、更快的互联网速度、更可靠的网络连接以及更安全的数字通信。不仅如此，核钟在改进宇宙基本理论方面也具有巨大潜力，可帮助探测暗物质、验证自然常数是否恒定等，甚至无需大型粒子加速器设施即可验证粒子物理学理论。此次研究取得了前所未有的成果，尽管它目前还不是一台可正常运转的核钟，但无疑这是朝着制造便携且高度稳定的核钟迈出的最关键一步。

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