核时钟通过观察原子核内的变化来跟踪时间。这种方法可能使它们在外部干扰中更不易受损，并有可能实现比传统原子钟更高的精度。这些时钟的发展可能增强计时和导航，启用更快的互联网连接，并促进基础物理研究的进展。研究人员成功展示了核时钟的关键要素，包括与铀-229核能级跃迁相关的精确频率测量。
虽然当前原子钟提供全球计时的标准，但核时钟的出现可能改变我们对时间测量和基础物理的理解。
来自全球的研究人员在JILA的专家领导下 — 这是美国国家标准与技术研究所（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校的合作 — 揭示了核时钟的重要组件。这种创新的计时工具依赖于来自原子核的信号。团队利用一种独特的紫外激光来测量嵌入固体晶体中的铀核能级跃迁的精确频率。他们还利用了光学频率梳，这种装置像一种高精度的光测量仪器，用于计算与这一能量跃迁相关的紫外波周期。尽管这一实验室努力尚未实现完全功能的核时钟，但它包含了所需的所有核心技术。
核时钟有潜力超越当前的原子钟的精度，后者用于国际计时并对GPS、互联网同步和金融交易等技术至关重要。对于日常用户来说，这一进展可能导致更精确的导航系统（无论是否依赖GPS），更快的互联网速度，更可靠的网络连接，以及数字通信中的安全性提升。
除了技术进步，核时钟可能改善对宇宙基本理论的测试，可能导致物理学方面的重要发现。它们可能有助于暗物质的探测或确认自然常数是否保持不变，从而验证粒子物理学理论而无需庞大的粒子加速器基础设施。
激光在时间测量中的精度
原子钟通过调节激光光束到促使电子在特定能级之间跃迁的频率来跟踪时间。而核时钟则在原子核内的能级跃迁上操作——这是质子和中子紧密排列的小核心。这些能量跃迁可以比作翻动一个灯开关。通过照射具有这一跃迁所需精确能量的激光光线，研究人员可以激活这个核“开关”。
核时钟在时间测量精度方面承诺带来重大好处。与原子钟中的电子不同，原子核受到外部因素（如杂散电磁场）的影响显著较小。用于启动核内能量跃迁的激光光线的工作频率远高于原子钟所需的工作频率。频率的增加意味着每秒的波周期数量更多，相关产生的“滴答”数也更多，从而实现更高的时间测量精度。
然而，制造核时钟极具挑战性。大多数原子核需要高频光（X射线）以极大能量引发能量跃迁，而这种能量超出目前技术的能力。因此，科学家们专注于铀-229，它的能量跃迁较小，与任何其他已知原子相比只需紫外光，这种光的能量低于X射线。
铀的能量跃迁在1976年被科学家们识别，被称为物理学术语中的“核跃迁”。2003年，提出了利用这一跃迁制作时钟的想法，而在2016年首次直接观察到。今年早些时候，两个不同的研究团队成功使用紫外激光触发核“开关”并测量所需光的波长。
在这项最新研究中，JILA及其合作者已组装了时钟所需的所有关键组件：铀-229核跃迁作为时钟的“滴答”，激光用于在核的各个量子态之间促进精确的能量跃迁，频率梳用于直接测量这些“滴答”。这一倡议实现了比基于波长的先前测量高出一百万倍的精度。此外，他们建立了核跃迁与世界上最精确的原子钟之一（使用锶原子）之间的首次直接频率连接。这一直接联系和更高的精度是实现核时钟及其与当前计时系统整合的重要进展。
这项研究的显著结果包括之前未观察到的关于铀核形状的细节，犹如从飞机视角看到单独的草叶。
研究结果详细刊登在《自然》杂志9月4日的期刊上，并作为封面故事展示。
迈向核计时的未来
尽管这项研究尚未产生功能完整的核时钟，但它代表了朝着创建一种便携且稳定的时钟的关键步骤。将铀纳入固体晶体，以及原子核对外部干扰敏感性较低，暗示了紧凑且耐用的计时设备的潜力。
“想象一种手表，如果它运行数十亿年也不会失去一秒钟，” NIST和JILA的物理学家Jun Ye表示。“虽然我们尚未完全实现这一点，但这项研究使我们更接近达到这样的精度水平。”
该研究团队包括来自JILA（NIST与科罗拉多大学博尔德分校的联合机构）、维也纳量子科学与技术中心和IMRA America, Inc.的成员。
