爭相制造世界第一個核時鐘或將顛覆原子鐘黃金標準

　　1967年，CIPM（國際計量大會）定義秒是銫 133原子（Cs133）基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9,192,631,770個周期所持續的時間。

　　原子鐘是目前計時的黃金標準。這些裝置基于原子的兩個狀態之間的轉變來測量時間。 在Nature 的兩篇論文中，Masuda等人和Seiferle等人共同報告了一種新型的時鐘-核鐘，而這個時鐘反而使用原子核的兩個狀態之間進行轉換。 這樣的核鐘勝過現有的原子計時器（如銫原子鐘）（相關報道：中國銫原子鐘通過評審：2000萬年不差一秒），并且在基礎和應用物理學中都有極大應用，如核鐘可能能夠檢測相對論效應，如微小的位勢差（約1毫米），并成為大地測量的工具。此外，它可以提供一個靈敏的探針，用于研究基本物理力的時間和空間恒定性，如量子色動力學參數或電磁耦合常數。這兩項研究被選為Nature 封面文章。

　　最后，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的核與化學科學部Jason T. Burke發表題為“One tick closer to a nuclear clock”的點評文章，該文章系統總結了該研究的成果， 指出這一發現將使會為物理學帶來巨大變化，科學家團隊正在競相制造世界上第一個核時鐘，這將提供前所未有的時間精確度。 這一發現將使大量實驗和發現得以實現。例如，核鐘可以應用于暗物質研究和觀察物理基本常數的可能變化。

　　幾千年來，人類一直試圖衡量時間的流逝。從日落，沙漏到懷表，我們不斷努力提高量化和標準化時間的能力。在20世紀初期，科學家們一直在努力定義時間，并提出了各種標準來幫助人類同步。科學家們意識到原子躍遷的性質與空間或時間的位置無關。這種認識導致了使用兩個原子態之間的已知轉換作為定義時間的手段的想法。

　　在過去的70年里，原子鐘一直在不斷改進，目前在1018年會出現1分鐘的誤差。但是如果我們能做得比這些設備好呢？如果我們能夠制造一個小10萬倍的時鐘，對環境不太敏感。原子核比原子小約100,000倍，可以提供這樣的思路。

　　自2003年以來，世界各地的研究人員一直在嘗試使用釷-229原子核來制造核鐘。與已知的所有其他原子核不同，該原子核具有激發態（稱為異構態），其能量僅高于其基態7電子伏特（eV）。正因為如此，可以使用專用激光器來控制這兩種狀態之間的轉換。問題在于異構體狀態的確切能量目前尚不清楚。

　　異構狀態229mTh幾十年來一直吸引著科學界，因為它的能量預計只有幾個電子伏特，這使得該狀態是可以進行激光探測并且到目前為止報告的能量最低的核激發態。雖然從基態到229mTh的光學激發尚未通過實驗獲得，但預計它將被用作各種研究的新平臺。一個重要的應用是超精密時鐘；這樣的“核鐘”可能達到大約10-19的不確定性，可以與最精確的現有光學原子鐘（銫原子鐘，這些原子鐘基于電子殼躍遷）相媲美 。

　　如此精確，核鐘可能能夠檢測相對論效應，如微小的位勢差（約1毫米），并成為大地測量的工具。此外，它可以提供一個靈敏的探針，用于研究基本物理力的時間和空間恒定性，如量子色動力學參數或電磁耦合常數。

Nature 封面

　　到目前為止，沒有實驗明確地觀察到來自異構狀態的衰變光子或者準確地測量其能量（Eis）以使得能夠通過窄帶激光直接激發。然而，最近的實驗逐漸限制了Eis的可能價值。使用高精度量熱計的γ射線光譜測量報告Eis = 7.8±0.5eV（不確定性表示一個標準偏差）；另外，通過檢測通過內部轉換過程產生的電子觀察到異構狀態的電子衰變通道，產生 6.3 eV<Eis <18.3eV；最近報道的改進值為8.28±0.17 eV17。所有這些研究都使用233U的α衰變產生229mTh。幾個實驗嘗試用約7.8eV的寬帶同步輻射進行直接光學激發，但都給出無效結果，表明Eis或異構體狀態的半衰期可能在預期范圍之外。

　　Takahiko Masuda等人使用窄帶29千電子伏特同步輻射實現共振激發229Th的第二激發態，衰變為異構體229mTh；以0.07電子伏特的精度確定共振能量，半衰期為82.2皮秒，激發線寬為1.70納電子伏特。這些測量允許我們通過將它們與過去40年收集的γ-光譜數據相結合來約束229mTh異構體。

　　Benedict Seiferle等人使用在中性229mTh原子衰變期間在飛行中發射的內部轉換電子的光譜，直接測量該異構狀態到基態的躍遷能量，具有0.17電子伏特（一個標準偏差）的不確定性。基態和第一激發態之間的躍遷能量對應于149.7±3.1納米的波長（測量的能量值與先前確定的在一個標準偏差內的7.8±0.5eV的值一致），這可通過激光光譜法來獲得。該研究結果有望促進高分辨率激光光譜在核上的應用，并使核光學時鐘的開發具有前所未有的準確性。

　　總而言之，這2項研究為進一步開發核鐘奠定了基礎，為其后續的研究應用指明了方向。