钍核光钟的滴答声：当时间遇上“超级核芯”

时间与频率，这两个看似平凡的物理量，实则是人类能够测量得最为精确的物理量。而原子钟，作为基于原子外层电子跃迁的频率标准，一直是时间测量领域的“黄金标准”。然而，随着科技的不断进步，一种全新的时间与频率标准——钍核光学钟，正在悄然崛起，有望超越现有的原子钟精度，开启时间测量的新纪元。

3月3日，中国科学院精密测试与技术创新研究院与中国科学院武汉量子技术研究所的科研人员在《National Science Review》期刊上发表题为“The ticking of thorium nuclear optical clocks: a developmental perspective”（钍核光钟的滴答声：发展视角）的综述论文。

这篇论文主要探讨了钍核光学钟的发展历程、技术突破以及面临的挑战。论文指出，钍核光学钟凭借其高精度和抗干扰能力，有望超越现有原子钟，成为未来时间与频率测量的新标准，但其研发仍需克服诸如核素稀缺、激光技术限制以及环境因素影响等难题。

原子钟的现状与局限

在时间测量领域，原子钟的出现无疑是革命性的。传统的原子微波钟，如铯原子钟，已经为全球时间标准服务了数十年。然而，近年来，原子光学钟的出现，如锶光学晶格钟和铝离子光学钟，将时间测量的精度提升到了一个新的高度，其相对不确定性已经达到了10^-19的水平。这一精度的提升，意味着这些钟在数亿年内的误差仅在1秒以内。

然而，尽管原子光学钟已经取得了巨大的进步，但它们仍然存在一些局限性。原子钟的精度受到原子外层电子与外部环境相互作用的影响，例如电磁场的干扰和温度变化等。这些因素会导致原子钟的频率漂移，从而影响其长期稳定性。此外，原子钟的精度提升也面临着技术瓶颈，进一步降低不确定性的难度越来越大。

钍核光学钟的崛起

在所有已知的核素中，钍-229（229Th）因其独特的核性质而备受关注。它是唯一一个被确认可以通过精确激光操控核量子态的核素。其第一激发态核能级仅比核基态高出约8.4电子伏特，这一能级差可以通过波长约为148纳米的相干激光来实现激发。基于这种核跃迁的新型时间与频率标准——钍核光学钟，有望超越现有原子钟的精度。

图：229钍核钟跃迁的精密测量进展

来源：The ticking of thorium nuclear optical clocks: a developmental perspective

钍核光学钟的优势主要体现在以下几个方面。首先，原子核的尺寸比原子小几个数量级，因此对外部扰动的敏感性大大降低。其次，核量子态之间的能级间隔较大，这使得测量更加精确。此外，原子外层电子对核的屏蔽作用可以有效抵御外部电磁场的干扰。这些优势共同使得钍核光学钟有望实现相对不确定度小于或等于1×10^-19的高精度时间与频率标准。

从理论到实验的突破

钍核光学钟的研究历程可以追溯到半个多世纪前。1976年，爱达荷国家工程实验室的研究人员首次发现了229Th的低能激发态核能级，这一发现为后续的研究奠定了基础。然而，确认核激发的存在却耗费了近30年的时间。直到2007年，研究人员才重新审视数据，最终确认了在几电子伏特范围内的核激发态的存在。

在过去二十年中，对229Th核跃迁能量的精确测量取得了稳步进展。最初，核跃迁的相对不确定性被确定在太赫兹水平，相当于其跃迁能量的千分之几。2024年，维也纳技术大学（TU Wien）的研究人员取得了重大突破，他们通过148纳米的四波混频真空紫外（VUV）激光直接激发了229Th核跃迁。这种激光是由德国物理技术联邦研究所（PTB）开发的。随后，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究团队也通过类似的实验在229Th掺杂的LiSrAlF6晶体中证实了这一结果。这两项研究均实现了吉赫兹水平的共振频率测量，相对不确定性达到了10^-6。

图：用于钍掺杂晶体中异构体状态的VUV 激光光谱的激发方案(a)、实验装置 (b)和(c) VUV 激光激发期间晶体的伪彩色 CCD 相机图像，以及掺杂到CaF2 晶格中的 Th4b 离子晶体结构的示意图

来源：Laser Excitation of the Th-229 Nucleus

在这些初步成功的基础上，研究人员继续推进技术进步。在联合实验室天体物理学研究所（JILA），研究人员利用VUV频率梳对229Th掺杂的CaF2晶体进行照射。频率梳的齿宽极窄，极大地提高了测量精度，将不确定性降低了六个数量级，达到了千赫兹水平。这种前所未有的精度首次使得研究人员能够观察到核四极分裂，并通过激光辐射提取激发核态的内在特性。

最近，JILA和UCLA的合作团队成功实现了在229ThF4薄膜中激发核跃迁。尽管由于激发激光的线宽限制，跃迁频率的精度仅达到吉赫兹水平，但这一成功展示了在固态核钟系统中大幅减少所需229Th量和最小化放射性的潜力。

未来的道路

尽管在229Th掺杂晶体和229ThF4薄膜的核跃迁频率测量方面取得了显著进展，但研究人员发现，固态环境中的核跃迁对电子电荷密度和电场梯度的变化极为敏感，而这些因素又受到温度波动的影响。要实现10^-18的精度，需要将晶体温度稳定在5微开尔文以内，这在实际应用中是一个极具挑战性的目标。

图：掺钍氟化钙晶体安装和热控制原理图

来源：Temperature sensitivity of a Thorium-229 solid-state nuclear clock

另一种核钟的替代方案是利用气相中的229Th离子。当229Th离子被激光冷却或通过共情冷却到毫开尔文量级时，它们会在隔离环境中形成有序结构。这种设置为离子与光子之间的相互作用提供了极长的相互作用时间，使得229Th离子非常适合用于开发高精度的核光学钟，其频率不确定性有望达到10^-19的水平。

尽管在核光学钟的建设方面取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。首先，229Th是一种稀有同位素，全球供应量有限，且纯度满足要求的同位素数量相对较少。生产并提纯足够的这种同位素既成本高昂又技术难度大。其次，开发148纳米波长的高功率、窄线宽连续波激光器——核激发的关键需求——尚未实现。由于现有激光材料和光学元件的限制，生成并精确调谐这种波长的激光极为困难。第三，核能级、电子态与环境因素之间的相互作用机制尚未完全理解，这增加了对系统精确控制的复杂性。最后，实现闭环操控——快速调节初始时钟态的准备、核跃迁激发、跃迁或态的检测以及初始态的重新填充——尚未实现。

克服这些挑战对于实现钍核钟的最终目标至关重要。钍核钟不仅有望在时间测量领域带来革命性的变革，还将为基本物理研究提供强大的工具。下一步的关键发展将集中在开发快速跃迁检测的闭环通道。成功克服这一障碍将为核光学钟原型的最终实现铺平道路。这一里程碑将标志着光学钟系统从依赖电子跃迁向核跃迁的转变，有望彻底改变我们对基本物理定律的理解，使我们能够精确研究基本常数，探索精细结构常数的潜在时间变化，并测试超出标准模型的理论。这些突破将为我们提供对宇宙基本规律的深刻见解。

钍核光学钟的研究正在不断推进，虽然面临诸多挑战，但其潜在的科学价值和应用前景使其成为时间测量领域的一个重要研究方向。从最初的理论探索到如今的实验突破，研究人员已经取得了令人瞩目的成就。未来，随着技术的不断进步和对核跃迁机制的深入理解，钍核光学钟有望成为时间测量的新标准，为我们探索宇宙的奥秘提供更精确的工具。

参考链接

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf083/8051347

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.182501

https://arxiv.org/abs/2409.11590