JILA 研究人員正在開發使用釷-229 的核鐘，與原子鐘相比，它具有前所未有的穩定性。透過將釷嵌入固態晶體，他們發現了對溫度變化有較大抵抗力的核躍遷，這對於精確計時至關重要。他們的工作不僅可以重新定義計時，還可以為探測新物理學打開大門。

持續監測摻釷氟化鈣晶體的溫度，同時使用VUV 頻率梳直接解析核躍遷的各個量子態。圖片來源：Steven Burrows/JILA

超越原子鐘

幾十年來，原子鐘一直是精密計時的標準，在GPS導航、物理研究和基礎科學測試中發揮著至關重要的作用。現在，由物理學教授葉軍領導的JILA 研究人員與維也納技術大學合作，正在探索更穩定的替代方案：核鐘。與依賴電子躍遷的原子鐘不同，這種新時鐘是基於釷-229 原子核內的低能躍遷。由於核躍遷受環境幹擾的影響較小，因此基於釷的時鐘可以提供前所未有的穩定性，並可用於測試超出標準模型的物理學。

葉的實驗室多年來一直在研究核鐘。他們去年在《自然》雜誌上發表的一項具有里程碑意義的實驗，首次在特殊設計的晶體中對釷-229 核躍遷進行了基於頻率的量子態分辨測量。這證實了這種躍遷可以以足夠的精度進行測量，從而作為可靠的計時參考。

了解溫度對核躍遷的影響

為了開發實用的核鐘，科學家需要了解外在因素（尤其是溫度）如何影響核躍遷。在一項被《物理評論快報》評為「編輯精選」的新研究中，研究小組分析了釷原子核的能階如何隨著晶體加熱到不同的溫度而改變。這項研究是建造超穩定核鐘的關鍵一步。

「這是表徵核時鐘系統特徵的第一步，」JILA 博士後研究員、這項研究的第一作者Jacob Higgins 博士說。 “我們發現了一種對溫度相對不敏感的轉變，這正是我們想要的精密計時設備。”

「固態核鐘極有可能成為一種堅固、便攜且高精度的計時設備，」葉軍指出。 “我們正在尋找緊湊型核鐘的參數空間，以保持10-18 分數頻率穩定性，從而實現連續運行。”

核鐘的精確度

由於原子核受環境幹擾的影響小於電子，核鐘可以在原子鐘故障的情況下保持準確度，因為核鐘對噪音的抵抗力更強。在所有其他原子核中，釷-229 特別適合這樣做，因為它的核躍遷能量異常低，因此可以用紫外線雷射而不是高能量伽馬射線進行探測。

與在離子阱系統中測量釷不同，葉實驗室採用了不同的方法：將釷-229 嵌入固態宿主—氟化鈣(CaF₂) 晶體中。這種方法由維也納技術大學的合作者開發，與傳統的離子阱技術相比，釷核的密度要高得多。核越多意味著訊號越強，測量核躍遷的穩定性越好。

加熱核鐘

為了研究溫度如何影響核躍遷，研究人員將摻釷晶體冷卻和加熱到三種不同的溫度：用液態氮加熱到150K（-123°C），用乾冰-甲醇混合物加熱到229K（-44°C），以及293K（室溫左右）。他們使用頻率梳雷射測量了核躍遷頻率在每個溫度下的變化，揭示了晶體內兩種相互競爭的物理效應。

其中一個影響是，隨著晶體變暖，晶體會膨脹，從而微妙地改變原子晶格，並改變釷原子核所經歷的電場梯度。這種電場梯度導致釷躍遷分裂成多條譜線，這些譜線會隨著溫度的變化而朝不同的方向移動。第二個影響是，晶格膨脹也改變了晶體中電子的電荷密度，改變了電子與原子核的相互作用強度，導致譜線向同一方向移動。

找到溫度“最佳點”

當這兩種效應爭奪釷原子的控制權時，觀察到一種特殊的轉變對溫度的敏感度遠低於其他轉變，因為這兩種效應大多相互抵消。在所檢查的整個溫度範圍內，這種轉變僅偏移了62 千赫，這種偏移至少比其他轉變小30 倍。

「這種轉變對時鐘應用來說很有前景，」JILA 研究生張傳昆補充道。 “如果我們能進一步穩定它，它可能會真正改變精密計時的模式。”

下一步，該團隊計劃尋找一個溫度“最佳點”，使核躍遷幾乎完全不受溫度影響。他們的初步數據表明，在150K 到229K 之間，躍遷頻率更容易實現溫度穩定，為未來的核鐘提供理想的運行條件。

客製化核鐘系統

製造一種全新類型的時鐘需要設計獨特的設備，而其中許多設備並不存在所需的客製化程度。多虧了JILA 的儀器車間及其機械師和工程師，團隊才能夠為他們的實驗製造關鍵零件。

Higgins 指出：“Kim Hagan 和整個儀器車間在整個過程中都提供了極大的幫助。他們加工了用於放置摻釷晶體的晶體支架，並建造了冷阱系統的部件，使我們能夠精確控制溫度。”

擁有內部加工專業知識使研究人員能夠快速迭代設計並確保即使是很小的更改（例如更換晶體）也可以輕鬆完成。

「如果我們只使用現成的零件，我們就不會對我們的設置有同樣的信心，」另一位團隊成員JILA 研究生Tian Ooi 補充道。 “儀器店提供的定制部件為我們節省了很多時間。”

超越時間的感知

雖然這項研究的主要目標是開發一種更穩定的核鐘，但其意義遠不止計時。釷核躍遷對其環境的干擾非常不敏感，但對基本力的變化卻非常敏感——其頻率的任何意外變化都可能預示著新的物理學，例如暗物質的存在。

「核躍遷的靈敏度可以讓我們探索新的物理學，」希金斯解釋道。 “這不僅能製造出更好的時鐘，還能為研究宇宙的全新方式打開大門。”

編譯自/ ScitechDaily