“核鐘”（nuclear clock）是一種利用原子核能級之間的躍遷來計量時間的裝置。相比傳統(tǒng)依賴電子能級的光學原子鐘，核鐘不僅擁有更高的精度，而且還具有更強的穩(wěn)定性和抗干擾性。2024年，有物理學家團隊利用紫外線激發(fā)了一種放射性元素釷-229的核躍遷，朝著構(gòu)建一個可運行的核鐘邁出了關(guān)鍵一步。

物理學家之所以想要創(chuàng)造出比原子鐘還要精準的核鐘，是因為除了計時之外，核鐘在基礎(chǔ)物理學研究中具有重要意義，比如它有望被用于搜尋超輕暗物質(zhì)。在一項最新發(fā)表于《物理評論X》雜志的研究中，一個物理學家團隊就提出了一種新穎的方法，可用于檢測超輕暗物質(zhì)是否會對釷-229原子核的性質(zhì)產(chǎn)生微小影響。

共振之謎

就像推動秋千需要精準的節(jié)奏以保持穩(wěn)定擺動，原子核也有其最佳的振蕩頻率，在物理學中被稱為共振頻率。處于這一頻率的輻射，能激發(fā)原子核像擺鐘一樣在基態(tài)與高能態(tài)這兩個量子態(tài)之間“擺動”。大多數(shù)原子核的共振頻率極高，需要非常強的輻射才能激發(fā)。

但在1976年，物理學家發(fā)現(xiàn)，釷-229是罕見的例外，其自然共振頻率較低，可以使用普通紫外激光進行操控，這使得釷-229成為構(gòu)建核鐘的理想候選。然而，當科學家剛邁出第一步——試圖以最高的精度測量釷-229的共振頻率時，就遭遇阻力。

測量共振頻率的方法，是以不同頻率的激光照射原子核，觀察它在量子態(tài)之間躍遷時所吸收或釋放的能量。然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制出吸收光譜圖，其中對應(yīng)于峰值吸收的那一點，就被視為所該原子核的共振頻率。

但長期以來，物理學家們一直無法精確地測量釷-229的共振頻率。這是因為在過去，科學家在每次實驗中都只能捕獲極少量的原子核，并逐個用不同的輻射頻率進行測試，使得這一過程緩慢而耗時。

去年，在德國國家計量研究所（PTB）的一項關(guān)鍵實驗中，研究團隊采用了一塊含有約一千萬億個釷-229原子的螢石晶體，從而可以利用高精度激光束同時進行大量測量。這使長達近50年的技術(shù)瓶頸終于出現(xiàn)突破。

而就在PTB團隊發(fā)布了一組相對精確的測量數(shù)據(jù)的幾個月后，科羅拉多大學的研究小組發(fā)布了精度提升數(shù)百萬倍的結(jié)果。不過，若想要實現(xiàn)真正的核鐘，仍需要更高的精度。

核鐘的工作原理：利用紫外光來激發(fā)釷-229原子核。當光以恰當?shù)念l率照射原子核時，它會導致原子核改變其能量狀態(tài)。通過精確測量和計算這些能量，物理學家就制造出了一種極其精確的計時裝置。（圖/N. Hanacek/NIST）

理論預測

即便如此，在新的研究中，研究團隊也從這些結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)了研究暗物質(zhì)的新契機。

暗物質(zhì)是宇宙中最神秘的物質(zhì)，占宇宙總質(zhì)量的85%左右。理論上，如果宇宙中只有可見物質(zhì)，那么物質(zhì)的屬性應(yīng)當是穩(wěn)定且可預測的。但由于暗物質(zhì)無處不在，其波動性質(zhì)可能會輕微地改變原子核的質(zhì)量，從而導致吸收光譜出現(xiàn)短暫的偏移。因此，如果能以極高的精度檢測出釷-229吸收光譜中的微小偏差，就有可能揭示暗物質(zhì)的存在及其性質(zhì)。

研究團隊進行了理論計算，他們基于首次記錄的、由激光激發(fā)的釷-229原子核發(fā)射的熒光光譜，對不同質(zhì)量范圍的暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間的相互作用強度設(shè)定了上限。雖然他們尚未在結(jié)果中觀測到釷-229吸收光譜中的微小偏差，但這已經(jīng)為今后的分析打下基礎(chǔ)。一旦出現(xiàn)異常光譜變化，物理學家便可通過其強度與出現(xiàn)頻率，推算出暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量。

釷-229的獨特核特性使其成為極具前景的超輕暗物質(zhì)探測工具，其潛在靈敏度最高可達到傳統(tǒng)方法的十億倍。這項研究為將釷-229應(yīng)用于前沿暗物質(zhì)搜索奠定了基礎(chǔ)。

核鐘的前景

目前，全球多個實驗室仍在致力于提高釷-229共振頻率的測量精度，這一過程預計還需數(shù)年。如果核鐘最終能夠研制成功，它不僅可用于尋找暗物質(zhì)，也可能會徹底改變許多領(lǐng)域，比如地面與空間導航、通信和科學研究等等。

#參考來源：

https://wis-wander.weizmann.ac.il/space-physics/dark-side-time

https://physics.aps.org/articles/v18/s57

#圖片來源：

封面圖&首圖：PTB