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发布日期：2024-09-11 作者：开博
核时钟是一种经由过程丈量原子核内细小的能量转变来计时的装配。这类时钟可以年夜年夜提高丈量精度，并为根本物理学供给新看法。近日，科学家丈量了致使罕见同位素钍-229原子核转移到更高能量状况的光的频率，即核时钟的“嘀嗒”声，发现其精度比之前最切确的时钟超出跨越10万倍。该研究由美国尝试天体物理结合研究所（JILA）的Jun Ye带领，9月5日颁发在《天然》。
研究人员利用频率梳激光装配探测嵌入晶体中的钍-229原子核。图片来历：JILA
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这一冲破来自在科研人员用一种名为频率梳的激光装配探测了钍-229原子核。从手艺上讲，该装配不是一个时钟，由于它还没有被用来丈量时候。但美国特拉华年夜学的原子物理学家Marianna Safronova说，如斯使人印象深入的成果使开辟核时钟成为可能。
德国汉诺威年夜学的理论物理学家Elina Fuchs说，对“嘀嗒”声的丈量被证实在粒子物理学中很有效。因为时钟的频率是由将原子核连系在一路的根基力决议，是以原型机可以发现一种暗物资是不是会在细小标准上影响这些力。“这是领会核气力的一个新的直接窗口。”
世界上最好的时钟是原子钟，其利用激光来计时——光的频率被切确打磨，以匹配在原子内两个能级之间移动电子所需的能量。最切确的原子钟每400亿年只有一秒误差。核时钟的工作道理则略有分歧——“嘀嗒”声对应在质子和中子的能量转换，而不是电子，由于它们会从头摆列到激起态。
这类能量转移需要稍高的紫外线频率，从而发生更快的“嘀嗒”声，可以匹配或跨越原子钟的精度。但核时钟最年夜的潜伏优势是精度和不变性的连系。原子核中的粒子对电磁场等干扰的敏感度低在电子，这意味着核时钟可以更便携且坚忍。
可是，找到适合的原子核，并肯定引诱其改变为分歧能量状况所需的频率，对物理学家来讲已奋斗了50年。20世纪70年月，有间接证据注解，钍-229具有一种希奇的低能核跃迁，这类跃迁终究可能由激光触发。但直到客岁，科学家才发现了所需的频率。本年，他们才成功操纵激光实现了这一改变。
JILA团队利用一种名为频率梳的系统，在嵌入晶体中的数万亿个钍-229原子中寻觅跃迁频率。梳状布局输出一组距离法则平均的激光频率线。它答应研究人员一次用多个切确的频率照亮晶体来匹配，而不是利用单频激光在可能的选择规模内吃力地扫描。
梳状设置——包罗线条之间的间隙或“齿”的宽度，是利用原子钟校准的，可以调剂。该团队进行了几回尝试，当他们不雅察到钍-229原子从激起态衰变时较着发光，便利用这些设置计较驱动旌旗灯号的频率。
“第一次不雅察到这类改变感受很奇异。”JILA的物理学家张传坤（音）说，“我们整晚都在做所有测试，以查抄这是不是真的是我们正在寻觅的旌旗灯号。”
Fuchs说，假如一个时钟的“嘀嗒”速度相对另外一个时钟随时候而转变，这可能注解决议能级的身分——如壮大的核力或电磁力，正在漂移或摆动。某些质量极低的暗物资估计会发生这类结果。
力的任何转变城市在核跃迁频率中被放年夜，这使得核时钟对这类暗物资的敏感性可能比原子时钟高约1亿倍。Fuchs说，最新成果切确到小数点后13位的频率，已足够切确，可以缩小光暗物资可能存在的能量规模。她弥补说，核物理学也能够从更切确的跃迁频率中受益，帮忙科学家辨别钍-229原子核的可能外形。
可是，在核时钟可以或许超出原子钟之前，还需要做更多工作。原子钟今朝切确到小数点后19位。研究人员会摸索将钍-229嵌入晶体中是不是会成为最切确的计时器，或捕捉单个原子是不是会发生更好的成果。
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