铀-229 (229Th) 同位素的低能激发态最近引起了重大兴趣，因为它可能成为超高精度核钟的优秀候选者。构建高精度钟表需要对核激发和去激发过程有深入的理解。在这种背景下，研究人员开发了掺铀-229的真空紫外光 (VUV) 透明 CaF2 晶体。他们利用 X 射线操控异构体态的种群，并在受控化学环境中监测辐射衰变。
原子时钟使科学家能够以显著的精确度测量时间的最小标准单位——秒。这些时钟依赖于原子内部电子的自然振荡，类似于传统的老式钟摆的工作方式。追求更高精确度的时间测量促使核时钟的创新，它依靠原子核的跃迁而非电子来追踪时间。
在创造超精密核光学时钟的竞赛中，铀-229 同位素的第一激发态是一个很有前途的候选者。其半衰期长达10^3秒，激发能量仅为几电子伏特，非常适合通过 VUV 激光进行激发，因此为核时钟提供了精确的参考跃迁。此外，核时钟在紧凑固态计量设备和基础物理探索中具有潜在应用。要充分利用铀-229 异构体，了解其基本属性——如异构能量、半衰期，以及激发和衰变的细微差别——至关重要。
为了获得这些见解，日本冈山大学的助理教授平木高宏及其同事吉见明宏和吉村浩二设计了一个实验装置，以有效评估铀-229 异构态的种群并观察其辐射衰变。他们的研究结果于2024年7月16日发表在《自然通讯》上，详细描述了掺铀-229的 VUV 透明 CaF2 晶体的合成，并展示了如何利用 X 射线操控铀-229 异构态的种群。平木助理教授解释道：“我们的团队专注于使用原子和激光进行基础物理研究。成功实现基于铀-229的固态核时钟依赖于控制核的激发和去激发状态。在这项研究中，我们成功地使用 X 射线管理了核状态，使我们更接近实现核时钟的目标。”
为了探索辐射衰变（去激发）的过程，团队通过共振 X 射线束引发了铀-229 核心从基态到异构态的激发。他们发现掺杂的铀-229 核心表现出回到基态的辐射衰变，并伴随着一个 VUV 光子的释放。
一个显著的发现是当受 X 射线束辐照时，异构态迅速衰变，展示了“X 射线淬灭”效应，使得异构体种群可以被选择性地减少。研究人员乐观地认为这种故意的淬灭可以促进核时钟技术的进步，以及其他潜在用途，如便携式重力传感器和增强精确度的 GPS 系统。
强调核光学时钟的前景，平木助理教授表示：“一旦我们开发的核时钟最终确定，它将使我们能够调查某些‘物理常数’，特别是曾被认为不变的细结构常数，是否实际上会随时间波动。如果我们观察到物理常数在时间上的变化，这可能会为宇宙最大谜团之一的暗能量提供一些启示。”
