原子鐘已經使用了幾十年–但現在，更高精度的原子鐘已經成為可能：世界上第一台釷核鐘問世了。科學家們取得了一項重大突破，利用釷原子核製造出世界上第一台核時鐘，提高了時間測量的精確度。這項創新技術雖然還處於原型階段，但有望在精確度上超越傳統的原子鐘，為各學科的計時和科學測量帶來革命性的變革。

多年來，全世界的科學家都在為實現這一目標而努力，而現在，進展突然非常快：就在四月份，托爾斯滕-舒姆教授（Thorsten Schumm，維也納理工大學）領導的團隊才宣布了一項重大成功。這是第一次用雷射將原子核從一種狀態切換到另一種狀態–這種效應可用於高精度測量。

現在，僅僅幾週之後，這種釷轉變就成功地應用於實踐：維也納理工大學和美國JILA/NIST 成功地將高精度光學原子鐘與高能量雷射系統結合在一起，並成功地將其與含有釷原子核的晶體耦合在一起。釷原子核現在可以用作計時裝置，使時鐘更加精確–這是世界上第一台核時鐘。

釷它還不能提供比普通原子鐘更高的精度，但這並不是我們踏出第一步的目的。透過這第一台原型機，我們已經證明了：釷可以用作超高精度測量的計時器。剩下要做的就是技術開發工作，預計不會再有大的障礙。 “

第一台釷核鐘的相關論文現已發表在《自然》雜誌。

原子核作為計時器：一種比原子鐘更精確的新技術。圖片來源：Oliver Diekmann，維也納科技大學

每個時鐘都需要一個計時裝置，例如擺鐘中擺錘的規律擺動。如今，高精度時鐘利用電磁波的振盪來實現這一目的；透過計算雷射光束的振盪來測量時間間隔。然而，雷射的頻率會隨著時間的推移而發生微小的變化，因此必須重新調整其頻率。

Thorsten Schumm（維也納工業大學）解釋說：”這就是為什麼除了雷射之外，還需要一個對非常特定的雷射頻率有極高選擇性反應的量子系統。例如，這可以是銫或鍶原子。當它們當受到非常特定頻率的雷射照射時，這些原子的電子會在兩種量子態之間來回切換，而這是可以測量的。不再能被有效激發。

然而，一個有趣的想法已經存在了幾十年：如果不是用原子，而是用原子核來實現這個把戲，就有可能實現更高的精度。原子核比原子小得多，對外界電磁場等乾擾的反應也小得多。唯一的問題是，原子核在兩種狀態之間來回切換通常需要比雷射光子至少多一千倍的能量。

唯一已知的例外是釷。 Thorsten Schumm 說：”釷核有兩種能量非常接近的狀態，因此你可以用雷射來切換它們。但要做到這一點，必須非常精確地知道這兩種狀態之間的能量差。多年來，世界各地的研究團隊一直在尋找這種能量差的精確值，以便能夠有針對性地切換釷核–我們是第一個成功的，這就是我們在四月份發表的成果。

整合技術：光學齒輪箱和頻率梳

現在，JILA（美國NIST 和博爾德大學的研究機構）的原子鐘已經成功地與釷原子核耦合。這需要一些物理技巧：”原子鐘的工作原理是利用紅外線範圍內的雷射來激發鍶原子。然而，我們的釷原子核需要紫外線範圍的輻射，”Thorsten Schumm 解釋。 “因此，我們需要一種將紅外線頻率轉換為紫外線頻率的方法，類似於利用合適的齒輪將慢速旋轉頻率轉換為快速旋轉頻率的機械傳動。”

為此，研究人員使用了由一系列不同紅外線頻率組成的超短紅外線雷射脈衝。相鄰兩個頻率之間的距離總是相同的，就像梳子相鄰齒之間的距離一樣，因此也被稱為”頻率梳”。這種頻率梳狀紅外線照射到氙氣上，氙原子會對紅外光產生反應，以非常精確的可預測方式產生紫外光。然後，紫外線照射到一個含有釷核的微小晶體上。這種晶體是實驗的核心元素，它是在維也納的維也納工業大學生產的，需要數年的開發工作才能培養必要的專業知識。

這些元素的耦合效果很好，從而成就了世界上第一台釷核鐘。第一台原型機的精度還沒有提高，但研究人員的目標是開發一項新技術。一旦有了新技術，品質的提升就會自然而然地發生，一直以來都是這樣。 Thorsten Schumm 說。 “第一輛汽車並不比馬車快。所有這一切都是為了引入新概念。而這正是我們現在透過核時鐘實現的目標。”

這也使得研究人員能夠極為精確地測量釷態的能量，比以前高出幾個數量級。 “當我們第一次激發釷態轉變時，我們能夠確定幾千兆赫茲以內的頻率。這已經比以前已知的任何東西都要好一千倍以上。而現在，我們的精確度達到了千赫茲範圍–這又是以前的一百萬倍，”Thorsten Schumm說。 “這樣，我們有望在2-3 年內超越最好的原子鐘。”

這項技術不僅能比以前的時鐘更精確地測量時間，而且將來還能更精確地測量其他物理量。在許多研究領域，從地質學到天文物理學，釷技術都能帶來重要的進步。例如，這種極高的精確度現在可以用來研究自然界的基本規律，研究自然界的常數是否可能根本不是完全不變的，而是可能在空間和時間上改變。

編譯自/ ScitechDaily