物理学家用一种与全球最精准时钟同步的精密激光激发了快速核振荡——未来有望利用这项技术开发超精准计时器，同时也有助于解决关于宇宙的基本问题。

原子内的电子可以在不同能级之间跃迁，且跃迁过程中常常会释放或者吸收辐射，我们可以利用这种辐射的频率来测量时间。这正是原子钟的工作原理。原子钟极为精确，这要归功于称为“频率梳”的特制激光。利用原子核内的跃迁现象，对时间的测量甚至可以变得更加精确，只是频率梳的应用范围覆盖不了核跃迁的频率——好在有一个著名的例外，那就是同位素

钍-229。科罗拉多大学实验天体联合物理研究所物理学家叶军和张传坤等人的团队报告称，他们已经用定制的频率梳驱动了这种独一无二的跃迁，从而向着打造核时钟的目标迈出了一大步——按物理学家的想法，核时钟可以追踪约束物理世界的基本常数的最缓慢漂移。

测量时间拥有一段以各种独创性为标签的悠久历史：从计算月相周期到钟摆和石英振荡器的发明。目前，全球标准计时装置是一种基于铯原子微波频率跃迁的原子钟。各个大洲都安放有这些精致的机器，互相之间精准同步，且至少精确到小数点后16位。正是有如此精准的计时系统作基础，人类才有可能安全执行空间任务，并且使用误差在1米范围内的全球定位导航系统。

另有一种原子钟利用的则是光学波段（而非微波波段）释放的光的频率，即光学钟。光学钟计时的理论上限比铯时钟还高。光学钟利用的是不同离子和原子的跃迁，借助频率梳比较它们的振荡频率，并且将其同铯时钟的振荡频率比较。频率梳其实是一种激光系统，以数百万个离散的频率同步发射激光，这样一来，它们的光谱就变得像一把梳齿间距均匀且精确的长长的梳子。整个光谱就像是在一架精准调音的巨大钢琴上同时敲击100万个音键形成的声谱。

目前，最精准的时钟是一种由锶原子制成的光学钟，比标准铯时钟还要精准大约100倍。这种时钟对外界扰动基本不敏感。

既然原子跃迁在计时方面的应用如此成功，那么原子核的效果会不会更好？毕竟，平均来说，原子核的大小只有原子的十万分之一，因而更不容易受到外界环境的影响。通常情况下，原子核跃迁的频率至少比对应的原子跃迁高1万倍，但钍-229是个例外：只要稍微重排一下钍-229，它只需要8.4电子伏特的能量就能从最低能量态（基态）跃迁到能长期维持的激发态。相较核力和电磁力（正是这两种力让原子核不会分崩离析）来说，这个能量算是相当小了。因此，一旦超精准的核时钟投入使用，就可能揭示一个宇宙奥秘：核力和电磁力是不是永远不变，还是会因为某种我们尚不知道的机制随着时间的推移缓慢改变？

研究人员刚开始研究这类问题是否可用原子核跃迁回答时，他们的研究依据是早先的实验测量结果，该结果表明所需的能量是3.5电子伏特，这意味着用传统激光就足以驱动原子核跃迁。然而，后续的测量结果表明所需的能量差不多要高7.8电子伏特，落在光谱中真空紫外线（VUV）的区域内。另外，这个能量也可以触发原子释放电子，而非辐射（电子释放是一种比辐射快得多的过程，是研究人员不想看到的）。更要紧的是，用激光达到这个能量水平在技术上很是困难。然而，核时钟的前景依旧诱人，吸引着诸多物理学家不断努力。

张传坤及其同事就是其中的一个团队，他们这次令人瞩目的壮举也完全是国际合作的成果。张传坤团队的研究之路很繁杂，第一阶段中的一个环节是找到可以嵌入钍-229原子核的物质——理想情况下应该对真空紫外线辐射透明，并且应该规避不必要的电子发射。至少有两支团队为这一目标而努力，其中一支团队的工作地点是奥地利，有三位成员也是张传坤这篇论文的共同作者。借助相关的晶体生长专业知识，这支团队成功制作出了满足上述要求的氟化钙晶体。

同步计时器 张传坤团队设计的定制真空紫外线“频率梳”释放的真空紫外线光精准产生的能量激发透明氟化钙晶体内嵌入的钍-229同位素原子核。频率梳是一种特殊的激光器，其产生的光谱由精确已知的等距频率构成。受激后，钍原子核释放光子，同时产生一种可以被探测的信号，这种信号有助于稳定目前全球最为精准的时钟。这些研究人员调试频率梳后令其激发钍-229原子核跃迁，并且将这种跃迁的频率同基于锶原子的光学钟的跃迁频率做比较

2023年，欧洲核子研究中心的一项实验就用到了这些晶体。那里的研究团队将足量（多到足以让真空紫外线光谱仪直接探测到释放的光子）受激发的钍-229离子注入氟化钙晶体中。这项研究提高了估算光子能量的准确性，并且得到了8.3电子伏特的数值，进而也加速了能够激发相关跃迁的激光设备开发竞赛。

在此期间，一支德国的研究团队建造了一台功能强大到足以胜任这个任务的真空紫外线激光器。随后，他们和奥地利的氟化钙晶体种植团队合作，首次在钍-229原子核中实现了激光激发和原子核跃迁。在这个过程中，他们还刷新了核时钟计时的精度纪录，从而缩小了核时钟计时精度与光学钟计时精度之间的差距。

与此同时，这项宏大事业中的其他研究人员研发出了既可以激发原子核跃迁，又能与附近锶原子光学钟同步的真空紫外线频率梳。张传坤和他的同事把奥地利小组的晶体生长设备搬到了美国，并用他们的真空紫外线频率梳驱动激发过程——然后就创造了历史。这些研究人员通过反复实验证明，这种真空紫外线频率梳可以激发核跃迁，并且读出其频率与锶原子跃迁频率之间的关系。他们观察到的核激发态持续时间大约为10分钟，这意味着可以用这个系统制造一个以2拍赫兹（1拍赫兹=1015赫兹）为单位且不确定性为微赫兹级别的时钟。

张传坤等人总共发现了7种跃迁，其中5种在预料之中，肇始于原子核电荷分布与晶体强内禀电场相互作用而产生的能级分裂。这些跃迁的频率集中在2拍赫兹附近，在张传坤等人的实验中精确度可以达到小数点后12位，比锶原子光学钟的纪录还是差了6位。现在，继续提升精确度的难点在于频率梳齿的宽度——产生梳齿的过程会扩大其宽度。从测量学角度上说，要想进一步提高精确度就必须缩小这些梳齿的间距，具体方法可能是把现在应用于光学钟的已有技术迁移到真空紫外线波长范围内。

下一步要做什么？虽然精确的跃迁频率取决于氟化钙宿主的性质，但即使是最小的晶体也能容纳海量

钍-229原子，因而可能通过对所有原子核跃迁频率取平均值的方法得到可复现的频率值。有了比张传坤团队使用的频率梳更加紧凑的真空紫外线频率梳，就可以制造出许多具有潜在应用价值的稳定小体积时钟。我们还可以把受激发的钍-229原子核应用在量子比特中以存储并加工量子信息。

此外，我们也可以用单个被捕获的钍-229离子建造真空紫外线核时钟，其对环境的敏感程度甚至可以比现有的类似光学钟更低。另一种令人兴奋的应用前景涉及监测核时钟跃迁频率随时间的变化情况。这可能揭示假想中存在的精细结构常数（用于量化带电粒子之间的电磁相互作用强度）微小变化，以及核粒子之间耦合情况的微小变化。如此种种都会激发人们寻找全新的物理学理论。因此，张传坤及其同事这项举世瞩目的成果很可能是未来诸多惊奇物理学发现的起点——同时也为此前30年的相关物理学研究画上了圆满句号。

资料来源 Nature

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本文作者阿德里亚娜·帕尔菲（Adriana Pálffy）是德国维尔茨堡大学理论物理学和天体物理学研究人员；何塞·洛佩兹-乌鲁蒂亚（José R. Crespo López-Urrutia）是德国马克斯·普朗克研究所研究人员