核子時鐘：重新定義時間精準度的革命性突破

JILA的研究團隊正在開創一種基於釷-229的核子時鐘，這種時鐘的穩定性超越了現有的原子鐘。透過將釷嵌入固態晶體中，他們發現了一種對溫度變化極不敏感的核子躍遷，這對於精準計時至關重要。這項研究不僅可能重新定義時間測量，還可能開啟探測新物理現象的大門。

數十年來，原子鐘一直是精準計時的標準，在GPS導航、物理研究和基礎科學測試中扮演著關鍵角色。如今，由物理學教授Jun Ye領導的JILA團隊與維也納科技大學合作，正在探索一種更穩定的替代方案：核子時鐘。與依賴電子躍遷的原子鐘不同，這種新型時鐘基於釷-229原子核內的低能躍遷。由於核子躍遷較少受到環境幹擾，釷基時鐘可能提供前所未有的穩定性，並用於測試超越標準模型的物理現象。

Ye的實驗室多年來一直在研究核子時鐘。他們去年發表在《自然》雜誌封面上的標誌性實驗，首次在特殊設計的晶體中進行了基於頻率的量子態分辨測量，確認了釷-229核子躍遷的精度足以作為可靠的計時參考。為了開發實用的核子時鐘，科學家需要了解外部因素（尤其是溫度）如何影響核子躍遷。在一項新研究中，團隊分析了晶體在不同溫度下釷核能級的變化，這項研究發表在《物理評論快報》上，並被選為編輯推薦。

「這是描述核子時鐘系統特性的第一步，」該研究的第一作者、JILA博士後研究員Jacob Higgins博士表示。「我們發現了一種對溫度相對不敏感的躍遷，這正是我們在精準計時裝置中所需要的。」

「固態核子時鐘具有成為高度精確且便攜的計時裝置的巨大潛力，」Jun Ye指出。「我們正在尋找一個引數空間，以確保緊湊型核子時鐘在連續運作時能保持10^-18的頻率穩定性。」由於原子核比電子更少受到環境幹擾，核子時鐘在原子鐘可能失效的條件下仍能保持精準度，因為它對噪音更具抵抗力。在所有核子中，釷-229特別適合此用途，因為它具有異常低能的核子躍遷，可以用紫外線雷射而非高能伽馬射線進行探測。

與在離子阱系統中測量釷不同，Ye的實驗室採用了另一種方法：將釷-229嵌入固態宿主——氟化鈣（CaF₂）晶體中。這種由維也納科技大學合作夥伴開發的方法，使得釷核密度遠高於傳統的離子阱技術。更多的核子意味著更強的訊號和更好的穩定性，以便測量核子躍遷。

為了研究溫度如何影響核子躍遷，研究人員將摻釷晶體冷卻和加熱到三個不同溫度：150K（-123°C）使用液態氮、229K（-44°C）使用乾冰-甲醇混合物，以及293K（約室溫）。使用頻率梳雷射，他們測量了核子躍遷頻率在每個溫度下的變化，揭示了晶體內的兩種競爭物理效應。

其中一種效應是，隨著晶體變暖，它會膨脹，微調原子晶格並改變釷核所經歷的電場梯度。這種電場梯度導致釷躍遷分裂成多條光譜線，這些光譜線隨著溫度變化而朝不同方向移動。第二種效應是，晶格膨脹也改變了晶體中電子的電荷密度，改變了電子與核子的相互作用強度，導致光譜線朝同一方向移動。

當這兩種效應爭奪對釷原子的控制時，觀察到其中一條躍遷對溫度的敏感度遠低於其他躍遷，因為這兩種效應幾乎相互抵消。在整個溫度範圍內，這條躍遷僅偏移了62千赫茲，比其他躍遷的偏移量至少小30倍。

「這條躍遷的行為對於時鐘應用來說非常有前景，」JILA研究生Chuankun Zhang補充道。「如果我們能進一步穩定它，它可能會成為精準計時領域的遊戲規則改變者。」

作為下一步，團隊計劃尋找一個溫度「甜蜜點」，使核子躍遷幾乎完全不受溫度影響。他們的初步資料表明，在150K到229K之間，躍遷頻率將更容易穩定，為未來的核子時鐘提供理想的操作條件。

打造一種全新型別的時鐘需要獨一無二的裝置，其中許多裝置尚未達到所需的定製水平。得益於JILA的儀器車間及其機械師和工程師，團隊能夠為他們的實驗創造關鍵元件。

「Kim Hagan和整個儀器車間在這個過程中都非常幫忙，」Higgins指出。「他們加工了固定摻釷晶體的晶體支架，並建造了冷阱系統的部分元件，使我們能夠精確控制溫度。」

擁有內部加工專業知識使研究人員能夠快速迭代設計，並確保即使是小改動（例如更換晶體）也能輕鬆完成。「如果我們只使用現成的零件，我們對實驗設定的信心就不會這麼高，」JILA研究生Tian Ooi補充道。「儀器車間定製的零件為我們節省了大量時間。」

雖然這項研究的主要目標是開發更穩定的核子時鐘，但其影響遠超計時領域。釷核躍遷對環境幹擾非常不敏感，但對基本力的變化極為敏感——任何頻率的意外偏移都可能暗示新物理現象，例如暗物質的存在。

「核子躍遷的敏感性可能讓我們探測到新物理，」Higgins解釋道。「除了打造更好的時鐘，這可能開啟研究宇宙的全新方式。」

參考文獻：Jacob S. Higgins等人，《釷-229固態核子時鐘的溫度敏感性》，2025年3月17日，《物理評論快報》。DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.113801

這項研究得到了陸軍研究辦公室、空軍科學研究辦公室、國家科學基金會、量子系統加速器和國家標準與技術研究院（NIST）的支援。