数十年来，原子钟一直是精密计时的巅峰，支持GPS导航、尖端物理研究和基本理论的测试。但研究人员现在正在超越原子跃迁，朝着一种潜在的更稳定的设备迈进：核钟。JILA的研究小组，由JILA和NIST研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授叶骏领导，与维也纳科技大学合作，正在推进这项研究。这种钟可以通过使用一种独特的低能量跃迁来颠覆计时方式，该跃迁发生在镤-229原子的原子核内。这一跃迁对环境干扰的敏感性低于现代原子钟，并已被提出用于测试超出标准模型的基本物理学。
这个想法在叶教授的实验室并不新鲜。实际上，实验室对核钟的研究始于一项具有里程碑意义的实验，其结果去年作为《自然》杂志的封面文章发表，团队首次对镤-229核跃迁进行了基于频率的量子态分辨测量，该跃迁发生在掺镤的宿主晶体中。这一成就证实，镤的核跃迁可以以足够的精度进行测量，作为计时参考。
然而，要构建精确的时钟，研究人员必须全面表征跃迁如何对外部条件（包括温度）做出响应。这就是这项新的研究的意义所在——一篇发表在《物理评论快报》中的“编辑选择”论文，团队研究了随着包含原子的晶体加热到不同温度，镤核内的能量变化。
“这是描述核钟系统系统性行为的第一步，”JILA的博士后研究员雅各布·希金斯博士，研究的第一作者说。“我们发现了一个对温度相对不敏感的跃迁，这正是我们所需要的精密计时设备。”
“固态核钟有潜力成为强大且便携的计时设备，具有高精度，”叶骏指出。“我们正在寻找紧凑核钟的参数空间，以保持10^-18的分数量频率稳定性，进行持续操作。”
**核钟的精度**
由于原子核受到的环境干扰比电子少，核钟在原子钟可能失效的条件下仍然能够保持准确性，因为核钟对噪音的抵抗力更强。在所有其他核中，镤-229特别适合这一用途，因为其具有异常低能量的核跃迁，使其能够用紫外激光光探测，而不是高能伽马射线。
与在捕获离子系统中测量镤不同，叶教授的实验室采取了不同的方法：将镤-229嵌入到固态载体中——氟化钙（CaF₂）晶体。这种由维也纳科技大学的合作者开发的方法，在氟化钙中允许比传统的离子捕获技术更高密度的镤核。更多的核意味着更强的信号和更好的稳定性，以测量核跃迁。
**加热核钟**
为了观察温度如何影响这一核跃迁，研究人员将掺镤的晶体冷却和加热到三种不同的温度：150K（-123°C）使用液氮、229K（-44°C）使用干冰-甲醇混合物，和293K（接近室温）。使用频率梳激光，他们测量了每种温度下核跃迁频率的变化，揭示了晶体内两种相互竞争的物理效应。
对于一种效应，随着晶体温度升高，晶体膨胀，微妙地改变了原子晶格，并改变了镤核所经历的电场梯度。这个电场梯度使得镤跃迁分裂成多个谱线，随着温度的变化而向不同方向移动。第二个效应是晶格膨胀还改变了晶体中电子的电荷密度，修改了电子与核的相互作用强度，使谱线向相同方向移动。
随着这两种效应争夺对镤原子的控制，观察到一个特定的跃迁对温度的敏感性远低于其他跃迁，因为这两种效应大多相互抵消。在所检查的全部温度范围内，该跃迁仅移位62千赫兹，移位幅度至少比其他跃迁小30倍。
“这个跃迁的表现对时钟应用非常有前景，”JILA的研究生张传琨补充道。“如果我们能够进一步稳定它，它可能在精密计时上带来真正的变革。”
作为下一步，团队计划寻找一个“甜点”温度，使核跃迁几乎完全独立于温度。他们的初步数据表明，在150K和229K之间，跃迁频率将更容易稳定温度，为未来的核钟提供理想的操作条件。
**定制核钟系统**
构建一种全新类型的钟需要独特设计的设备，其中许多设备并未达到所需的定制水平。多亏了JILA的仪器车间——其机械师和工程师，该团队能够为其实验创建关键组件。
“Kim Hagan和整个仪器车间在这个过程中提供了极大的帮助，”希金斯说道。“他们加工了晶体支架，承载掺镤的晶体，并构建了冷阱系统的一部分，使我们能够精确控制温度。”
拥有内部加工专长使研究人员能够快速迭代设计，并确保即使是小的变化——例如更换晶体——也能轻松完成。
“如果我们仅使用现成部件，我们不会对我们的设备有同样的信心，”JILA研究生天珊·乌伊补充道，另一位团队成员。“来自仪器车间的定制部件为我们节省了大量时间。”
**超越时间的传感**
虽然这项研究的主要目标是开发一种更稳定的核钟，但其影响超越了计时。镤的核跃迁对其环境中的干扰非常不敏感，但对基本力的变化高度敏感——任何频率的意外变化可能指示出新的物理现象，例如暗物质的存在。
“核跃迁的敏感性可能使我们能够探测新物理现象，”希金斯解释道。“不仅仅是制造一个更好的时钟，这可能为研究宇宙打开全新的途径。”
这项研究得到了陆军研究办公室、空军科学研究办公室、国家科学基金会、量子系统加速器和国家标准与技术研究院（NIST）的支持。
