[本刊訊] 時間的精確度對科學(xué)研究和人類的生產(chǎn)生活都至關(guān)重要，更高的精確度一直是人們努力的目標(biāo)。從古代的日晷，到近代的機械鐘，再到現(xiàn)代的原子鐘，人類對時間的掌控越來越精細(xì)。近日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的葉軍等人實現(xiàn)了一項重大科學(xué)突破，它預(yù)示著人類對時間的測量可能即將進入新的階段——核鐘的時代，相關(guān)研究成果作為“封面文章”于2024年9月4日發(fā)表在《自然》（Nature）上。

原子鐘是目前世界上最精確的時間測量工具，它通過電子在原子能級間躍遷時發(fā)射和吸收的光頻率來計時。目前最精確的光晶格原子鐘由葉軍等人創(chuàng)造，時間測量誤差在396億年內(nèi)不到1秒，相關(guān)研究成果于2024年7月10日發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。但數(shù)十年來，科學(xué)家們一直在探索一種更為精確的計時方式——核鐘。顧名思義，核鐘是利用原子核能級間躍遷的計時裝置，此躍遷頻率比原子能級間的電子躍遷頻率更高，因此理論上可以提供更精細(xì)的時間標(biāo)準(zhǔn)。另外，原子核能級間躍遷對電磁場、溫度等外界環(huán)境的敏感度更低，有利于實現(xiàn)穩(wěn)定的計時。

然而要實現(xiàn)核鐘，面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這是因為需要巨大的能量才能把原子核激發(fā)到激發(fā)態(tài)，這超出了現(xiàn)有激光技術(shù)的能力。幸運的是，釷-229的原子核具有電子伏特量級的激發(fā)態(tài)，這使得利用真空紫外激光來激發(fā)釷-229原子核成為可能。

此次的重大突破得益于不同領(lǐng)域、不同國家研究團隊的合作。在過去的幾年里，來自奧地利的科學(xué)團隊制備出了可以嵌入釷-229原子核的氟化鈣晶體；歐洲核子研究組織的研究人員首次觀察到了釷-229原子核能級間的躍遷。在最新這項研究中，科學(xué)家們不僅成功地以極高的精度激發(fā)了釷-229原子核的躍遷，還通過頻率梳將其與鍶原子鐘相連。這是核鐘的所有部分首次“同時運行”。

核鐘不僅在計時精度上有望超越原子鐘，它們還具有更高的穩(wěn)定性。此外，核鐘對于基本物理常量的變化極為敏感，有助于科學(xué)家們探索宇宙的基本規(guī)律。

（王晉嵐）