可运行的核钟来了！

原子钟是目前计时领域的黄金标准。这类装置利用电子能级的变化来定义“一秒”的长度，并已经把时间和频率测量推进到极高精度。

与电子相比，原子核更不容易受到外界扰动。因此长期以来，科学家一直期待一种新的可能：如果把计时的基准从原子的电子转移到原子核，即利用原子核的能级跃迁来计时，那么就有望制造出比原子钟更稳定、更便携、更精确的核钟。

近日，来自欧洲和中国的两个研究团队分别于6月3日和6月7日在预印平台arXiv上发布了两项最新的核钟成果。他们的结果表明：核钟已经从一种有潜力的系统，发展成为一种真正能够运行的、并可用于寻找新物理的精密仪器。

为什么是钍-229？

所有钟都需要依靠某种稳定的振荡来计时，例如传统摆钟中来回振荡的摆锤。在最先进的原子钟中，这种“摆动”对应的是特定可见光波长的振荡——当电子在不同能级之间跃迁时，会吸收特定频率的光。物理学家通过确定触发电子状态变化的特定激光频率，再利用这一频率来计时。

事实上，原子钟使时间和频率成为物理学中测量最精确的量。从实现国际单位制中“秒”的微波频率标准，到如今达到前所未有精度的光学钟，原子钟已经取得了巨大进展。

核钟则不同。它不是让电子在能级间跃迁，而是希望通过把原子核内部的质子和中子激发到更高能态来计时。就像推动秋千需要精准的节奏以保持稳定摆动，原子核也有其最佳的振荡频率，在物理学中被称为共振频率。处于这一频率的辐射，能激发原子核像摆钟一样在基态与高能态这两个量子态之间“摆动”。

不过，大多数原子核的共振频率极高，需要非常强的辐射才能激发。但在1976年，物理学家发现，一种放射性元素钍-229很特殊，因为它的自然共振频率较低，只需使用普通紫外激光进行操控，就能触发这种跃迁。

几十年来，物理学家一直认为钍-229是构建核钟的理想候选。但直到2024年，才有物理学家团队在一个毫米级大小、掺入了数万亿个钍-229原子的氟化钙晶体中，成功触发了这种核跃迁，朝着构建一个可运行的核钟迈出了关键一步。同年晚些时候，另一个研究团队进一步精确测定了这一跃迁发生时对应的频率。

运行的核钟

然而，要让核钟真正运行，还缺乏最后的关键一步，即找到一种方法，把激光频率始终锁定在钍-229原子核的自然跃迁频率上。因为一旦激光频率偏离这个基准，核钟输出的计时频率也会随之漂移。

两个团队都是通过监测钍-229原子对激光的吸收强度来实现这一点的。当激光频率处在正确范围内时，光子会被钍-229吸收，因此探测到的透射光信号强度会下降。但如果激光频率发生漂移，吸收减少，透射光信号就会再次升高，于是就能立刻进行校正。

两个团队采用的具体方法有所不同。中国研究团队使用的激光功率约为欧洲团队的100倍，但他们晶体中的钍-229原子浓度较低。因此总体来看，两台核钟产生的信号强度相当。

研究结果表明，这两个团队的核钟都能可靠运行。在一天运行时间里，它们的频率漂移量相当于每300万年才出现约1秒的误差。不过就目前而言，这一稳定性仍不及最先进的光学原子钟——约每400亿年才会出现1秒误差。

从精密计时到寻找暗物质

两项研究共同说明，钍-229核钟已经不再只是一个理论上有潜力的设想，而是开始成为真正可以运行的精密仪器。

现在，还有一些研究人员正在尝试制造精度可能超过最先进原子钟的核钟。由于触发核跃迁所需的光频率高于原子钟所使用的光，理论上，核钟应当能够把时间分辨得更细，从而实现更高精度。但要做到这一点，可能需要将钍-229孤立出来，而不是把它嵌入晶体中。但总得来说，这是一条仍有待探索的重要路线。

此外，即便是在当前阶段，核钟也已经为探索基础物理提供了一种新的途径。理论学家预测，某些形式的暗物质可能会改变束缚原子核的基本相互作用强度，从而导致核跃迁频率出现可测量的变化。因此，它为探测暗物质、检验基本常数是否变化、研究原子核内部相互作用等问题提供了新的实验平台。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01909-7

https://arxiv.org/pdf/2606.04997

https://arxiv.org/pdf/2606.08870

https://www.nature.com/articles/d41586-024-01166-6

#图片来源：

封面图&首图：Daniele Levis Pelusi / Unsplash