有望改写现今的定时标准,最精确的时钟即将诞生-核钟
栏目:新闻 发布时间:2019-10-09 12:34

  1967年,CIPM(国际计量大会)定义秒是铯 133原子(Cs133)基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。

  原子钟是目前计时的黄金标准。 这些装置基于原子的两个状态之间的转变来测量时间。 在Nature 的两篇论文中,Masuda等人和Seiferle等人共同报告了一种新型的时钟-核钟,而这个时钟反而使用原子核的两个状态之间进行转换。 这样的核钟胜过现有的原子计时器(如铯原子钟),并且在基础和应用物理学中都有极大应用,如核钟可能能够检测相对论效应,如微小的位势差(约1毫米),并成为大地测量的工具。此外,它可以提供一个灵敏的探针,用于研究基本物理力的时间和空间恒定性,如量子色动力学参数或电磁耦合常数。这两项研究被选为Nature 封面文章。

  最后,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的核与化学科学部Jason T. Burke发表题为“One tick closer to a nuclear clock”的点评文章,该文章系统总结了该研究的成果, 指出这一发现将使会为物理学带来巨大变化,科学家团队正在竞相制造世界上第一个核时钟,这将提供前所未有的时间精确度。 这一发现将使大量实验和发现得以实现。例如,核钟可以应用于暗物质研究和观察物理基本常数的可能变化。

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  几千年来,人类一直试图衡量时间的流逝。从日落,沙漏到怀表,我们不断努力提高量化和标准化时间的能力。在20世纪初期,科学家们一直在努力定义时间,并提出了各种标准来帮助人类同步。科学家们意识到原子跃迁的性质与空间或时间的位置无关。这种认识导致了使用两个原子态之间的已知转换作为定义时间的手段的想法。

  在过去的70年里,原子钟一直在不断改进,目前在1018年会出现1分钟的误差。但是如果我们能做得比这些设备好呢?如果我们能够制造一个小10万倍的时钟,对环境不太敏感。原子核比原子小约100,000倍,可以提供这样的思路。

  自2003年以来,世界各地的研究人员一直在尝试使用钍-229原子核来制造核钟。与已知的所有其他原子核不同,该原子核具有激发态(称为异构态),其能量仅高于其基态7电子伏特(eV)。正因为如此,可以使用专用激光器来控制这两种状态之间的转换。问题在于异构体状态的确切能量目前尚不清楚。

  异构状态229mTh几十年来一直吸引着科学界,因为它的能量预计只有几个电子伏特,这使得该状态是可以进行激光探测并且到目前为止报告的能量最低的核激发态。虽然从基态到229mTh的光学激发尚未通过实验获得,但预计它将被用作各种研究的新平台。一个重要的应用是超精密时钟;这样的“核钟”可能达到大约10-19的不确定性,可以与最精确的现有光学原子钟(铯原子钟,这些原子钟基于电子壳跃迁)相媲美 。

  如此精确,核钟可能能够检测相对论效应,如微小的位势差(约1毫米),并成为大地测量的工具。此外,它可以提供一个灵敏的探针,用于研究基本物理力的时间和空间恒定性,如量子色动力学参数或电磁耦合常数。

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Nature 封面

  到目前为止,没有实验明确地观察到来自异构状态的衰变光子或者准确地测量其能量(Eis)以使得能够通过窄带激光直接激发。然而,最近的实验逐渐限制了Eis的可能价值。使用高精度量热计的γ射线光谱测量报告Eis = 7.8±0.5eV(不确定性表示一个标准偏差);另外,通过检测通过内部转换过程产生的电子观察到异构状态的电子衰变通道,产生 6.3 eV<Eis <18.3eV;最近报道的改进值为8.28±0.17 eV17。所有这些研究都使用233U的α衰变产生229mTh。几个实验尝试用约7.8eV的宽带同步辐射进行直接光学激发,但都给出无效结果,表明Eis或异构体状态的半衰期可能在预期范围之外。

  Takahiko Masuda等人使用窄带29千电子伏特同步辐射实现共振激发229Th的第二激发态,衰变为异构体229mTh;以0.07电子伏特的精度确定共振能量,半衰期为82.2皮秒,激发线宽为1.70纳电子伏特。这些测量允许我们通过将它们与过去40年收集的γ-光谱数据相结合来约束229mTh异构体。

  Benedict Seiferle等人使用在中性229mTh原子衰变期间在飞行中发射的内部转换电子的光谱,直接测量该异构状态到基态的跃迁能量,具有0.17电子伏特(一个标准偏差)的不确定性。基态和第一激发态之间的跃迁能量对应于149.7±3.1纳米的波长(测量的能量值与先前确定的在一个标准偏差内的7.8±0.5eV的值一致),这可通过激光光谱法来获得。该研究结果有望促进高分辨率激光光谱在核上的应用,并使核光学时钟的开发具有前所未有的准确性。

  总而言之,这2项研究为进一步开发核钟奠定了基础,为其后续的研究应用指明了方向。

  参考信息:

  https://www.nature.com/articles/s41586-019-1542-3

  https://www.nature.com/articles/s41586-019-1533-4

  https://www.nature.com/articles/d41586-019-02664-8

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