世界首台钍核钟温室 将精度与动力完美结合

多年来，全世界的科学家都在为实现这一目标而努力，而现在，进展突然非常快：就在四月份，托尔斯滕-舒姆教授（Thorsten Schumm，维也纳理工大学）领导的团队才宣布了一项重大成功。这是第一次用激光将原子核从一种状态切换到另一种状态--这种效应可用于高精度测量。

现在，仅仅几周之后，这种钍转变就成功地应用于实践：维也纳理工大学和美国 JILA/NIST 成功地将高精度光学原子钟与高能激光系统结合在一起，并成功地将其与含有钍原子核的晶体耦合在一起。钍原子核现在可以用作计时装置，使时钟更加精确--这是世界上第一台核时钟。

钍它还不能提供比普通原子钟更高的精度，但这并不是我们迈出第一步的目的。通过这第一台原型机，我们已经证明了：钍可以用作超高精度测量的计时器。剩下要做的就是技术开发工作，预计不会再有大的障碍。"

第一台钍核钟的相关论文现已发表在《自然》杂志上。

原子核作为计时器：一种比原子钟更精确的新技术。图片来源：Oliver Diekmann，维也纳科技大学

每个时钟都需要一个计时装置，例如摆钟中摆锤的有规律摆动。如今，高精度时钟利用电磁波的振荡来实现这一目的；通过计算激光束的振荡来测量时间间隔。然而，激光的频率会随着时间的推移而发生微小的变化，因此必须重新调整其频率。

Thorsten Schumm（维也纳工业大学）解释说："这就是为什么除了激光之外，还需要一个对非常特定的激光频率有极高选择性反应的量子系统。例如，这可以是铯或锶原子。当它们受到非常特定频率的激光照射时，这些原子的电子会在两种量子态之间来回切换，而这是可以测量的。如果激光频率发生变化，就不再与原子的固有频率完全吻合，原子就不再能被有效激发。在这种情况下，激光必须重新调整。这种技术可以使激光频率保持极其稳定--这就是原子钟的基本原理。"

然而，一个有趣的想法已经存在了几十年：如果不是用原子，而是用原子核来实现这个把戏，就有可能实现更高的精度。原子核比原子小得多，对外界电磁场等干扰的反应也小得多。唯一的问题是，原子核在两种状态之间来回切换通常需要比激光光子至少多一千倍的能量。

唯一已知的例外是钍。Thorsten Schumm 说："钍核有两种能量非常接近的状态，因此你可以用激光来切换它们。但要做到这一点，必须非常精确地知道这两种状态之间的能量差。多年来，世界各地的研究团队一直在寻找这种能量差的精确值，以便能够有针对性地切换钍核--我们是第一个成功的，这就是我们在四月份发表的成果。"

集成技术：光学齿轮箱和频率梳

现在，JILA（美国 NIST 和博尔德大学的研究机构）的原子钟已经成功地与钍原子核耦合。这需要一些物理技巧："原子钟的工作原理是利用红外线范围内的激光来激发锶原子。然而，我们的钍原子核需要紫外线范围的辐射，"Thorsten Schumm 解释说。"因此，我们需要一种将红外线频率转换为紫外线频率的方法，类似于利用合适的齿轮将慢速旋转频率转换为快速旋转频率的机械传动。"

为此，研究人员使用了由一系列不同红外频率组成的超短红外激光脉冲。相邻两个频率之间的距离总是相同的，就像梳子相邻齿之间的距离一样，因此也被称为"频率梳"。这种频率梳状红外光照射到氙气上，氙原子会对红外光产生反应，以非常精确的可预测方式产生紫外光。然后，紫外线照射到一个含有钍核的微小晶体上。这种晶体是实验的核心元素，它是在维也纳的维也纳工业大学生产的，需要数年的开发工作才能培养出必要的专业知识。

这些元素的耦合效果很好，从而成就了世界上第一台钍核钟。第一台原型机的精度还没有提高，但研究人员的目标是开发一项新技术。一旦有了新技术，质量的提高就会自然而然地发生，一直以来都是这样。Thorsten Schumm 说。"第一辆汽车并不比马车快。所有这一切都是为了引入新概念。而这正是我们现在通过核时钟实现的目标。"

这也使得研究人员能够极其精确地测量钍态的能量，比以前高出几个数量级。"当我们第一次激发钍态转变时，我们能够确定几千兆赫兹以内的频率。这已经比以前已知的任何东西都要好一千倍以上。而现在，我们的精确度达到了千赫兹范围--这又是以前的一百万倍，"Thorsten Schumm说。"这样，我们有望在 2-3 年内超越最好的原子钟。"

这项技术不仅能比以前的时钟更精确地测量时间，而且将来还能更精确地测量其他物理量。在许多研究领域，从地质学到天体物理学，钍技术都能带来重要的进步。例如，这种极高的精确度现在可以用来研究自然界的基本规律，研究自然界的常数是否可能根本不是完全不变的，而是可能在空间和时间上发生变化。

编译自/ScitechDaily