光學核子時鐘的科研之路

上圖所示是德國物理研究院的科學家Johannes Thielking激光裝置在對釷-299原子核性能測量。圖片來源：德國物理研究院

釷-299原子核具有所有已知的核素之間的獨特屬性：它應該有可能激發紫外線。到目前為止，很少有對釷-299原子核的低能狀態進行相關的研究工作。同事們聚在一起，來自慕尼黑和美因茲的德國物理研究院的研究人員已經進行了首次測量用光學方法的一些重要性質的原子核狀態，如形狀的電荷分布。

通過這種方式，可以監測原子核的激光激發，從而使光學核鍾能夠實現比現今的原子鐘更精確的「滴答」。科學家已經在日前《自然》雜誌上報告了他們的結果。

早在15年前，Ekkehard Peik和Christian Tamm就曾在德國物理研究院開發了一個新的原子鐘，其具有獨特的性能，不是像今天的原子鐘那樣利用電子殼中的兩個狀態之間的過渡頻率作為時鐘的脈衝發生器，而是他們設想使用原子核中的躍遷頻率進行實現。因為原子核中的質子和中子比原子殼層中的電子被密集地填充了幾個數量級，所以它們對外界干擾的敏感度降低，這些干擾可以改變它們的轉換頻率，從而為高精度時鐘提供了良好的條件。

然而，核躍遷的頻率也遠高於殼層躍遷的頻率（在X射線範圍內）；因此，它們對於原子鐘是不可用的，原子鐘迄今僅基於微波或激光。唯一已知的例外，和德國物理研究院的建議的可用於研究的基礎，是釷-299原子核。

該原子核在非常低的激發態能上具有準穩定的、異構的核態。因此，在基態和該異構體之間存在過渡，該異構體在紫外光的頻率範圍內，因此在激光技術的範圍內，類似於現今的光學原子鐘中使用的那樣。

一種基於在釷-299原子核轉變核時鐘的圖示。在這樣的時鐘中，原子核會被激光激發。在本實驗中，激光激發電子殼層允許測量激發、異構核的相關性質。從核圖相應的斷路器，它將所有已知的原子核，在背景中可見。釷-299原子的基態是列出的半衰期為7932年。在中性原子中，同分異構態的半衰期僅為7μs，而對於離子則為60 s，因為這不能發射鬆散結合的電子。表徵核性質的M和Q指示電荷分布和形狀也被表明。圖片來源：德國美因茲大學。

在世界各地有超過10個的研究小組目前正在對釷-299原子核時鐘的可行性項目進行研究。從實驗的角度來看，這個問題已經證明是極其困難的。由於這個原因，迄今為止沒有觀察到利用光學方法觀察核躍遷的成功，因為對異構體的精確激發能量的了解僅僅是近似的。「由於時鐘的需要，過渡的共振是非常尖銳的，並且只有當激光的頻率精確地匹配兩個狀態的能量差時才能觀察到。因此像大海撈針一樣眾所周知的搜索，」 Peik博士說。

2016年，Peik博士的合作夥伴慕尼黑的路德維希-馬克西米利安大學就曾在《自然》雜誌上報告了他們的第一次突破，這是第一次，他們能夠證明在釷-299原子核的過渡，儘管他們使用的方法是很不同用於原子鐘的方法。

這個合作研究項目，除德國物理研究院和慕尼黑大學的科學家，也包括來自美因茲約翰內斯·古登堡大學的科學家，美因茲亥姆霍茲研究所等，目前該項目已經邁出決定性的一步：這將是首次探測出原子核的基本性質如電荷分布的大小和形狀，以及對釷-299原子核激發態的測量。

為此，該釷-299原子核不是從基態激發（將時鐘在未來發生）；相反，在設備開發的邏輯，他們在激發態的衰變的鈾-233，減緩和存儲在離子狀態的離子阱中。

適合於這一研究條件的鈾-233源是由美因茲和達姆施塔特集團提供。通過激光系統在德國物理研究院對這些離子的光譜手段，它是可以測量的電子殼層躍遷頻率的準確。因為這些頻率直接受到核性質的影響，所以它們可以用來獲得關於這些性質的信息。

到目前為止，僅基於理論模型無法預測的核結構會表現出這種釷-299原子異常低能過渡期間。此外，由於電子殼層的結構更容易用光譜學來測量，因此已經有可能使用它來證明原子核的激光激發。

然而，即使如此也並不意味著對釷-299原子核的光學諧振頻率的研究搜索已經完成（「真是大海撈針」），現在我們知道這種測量只是實際上看起來像，僅僅是給我們帶來了更接近光學原子鐘的重要步驟罷了。

來源：https://phys.org/news/2018-04-en-route-optical-nuclear-clock.html

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