奥地利维也纳和中国北京的两个研究团队10月7日在《自然》杂志各自发表论文,报告让以钍-229原子核计时的核钟运行起来。北京团队的负责人之一、清华大学物理系副教授丁世谦对媒体说,两个团队各自独立工作,用不同的实验方法,同时做出了能运行的钍-229核钟,这说明这个概念很可靠,不依赖某一种技术方案。
传统原子钟用激光或微波,让铯、锶等原子外层的电子在两个能级之间来回跳动来计时;核钟则用激光让原子核里的质子和中子在能级之间跳动。原子核比电子所在的外壳小得多,研究人员认为追踪原子核内部的跃迁有可能更精确。它叫核钟,并不是因为靠核裂变或核聚变供能;两台钟用的都是嵌在固态氟化钙晶体里的钍-229。
维也纳的核钟把一束连续波激光稳定在148纳米的核跃迁上,钍-229原子核嵌在毫米大小的室温氟化钙晶体里;论文说,这台钟连续和一台镱离子钟比对,运行了一天。北京的核钟用的是148.4纳米的连续波真空紫外激光;研究人员在两块分别制作的晶体上测得的钟跃迁频率,在10的负13次方的水平上一致。清华大学说,丁世谦团队今年2月在《自然》发表了148纳米连续波真空紫外激光光源的成果,6月又在预印本平台arXiv公开了核光钟运行的结果。
两个团队都说,核钟有可能超过最好的传统原子钟,但现在还没有做到。维也纳团队的负责人之一、维也纳技术大学的舒姆(Thorsten Schumm)对媒体说,核钟“离目标性能还很远”;维也纳的钍晶体稍好一些,北京的激光更强,把两边的部件放在一起,就能造出好得多的钟。他说,物理学家梦想做出核钟已将近50年,他的团队从2008年就朝这个目标努力;他设想核钟将来可用于卫星导航、数据传输同步、测绘和计量。维也纳团队还用这台钟搜寻暗物质,没有找到,但在这项实验里,钟的表现达到了最好的原子钟的水平。
茉莉花观察
这一节是茉莉花的看法,依据是上文的事实。
我们的分析两个团队互不相干,用不同的方法做出了同样能运行的核钟,这比一个实验室单独宣布成功更有说服力。两边又各有长处,舒姆自己就说,维也纳的晶体加上北京的激光能造出好得多的钟。
不同看法核钟现在还没有超过最好的原子钟,最好的原子钟几十亿年才差一秒;维也纳的论文也说,稳定度还要在未来的装置上提高几个数量级。我们同意,核钟眼下还是实验室里的装置;但维也纳的钟已经连续运行一天,并用来做了暗物质的精密测量。
后续走向核钟的稳定度能提高多快。我们判断,到2027年底,维也纳或北京的团队会报告一台稳定度比这次至少好一个数量级的核钟。维也纳的论文预期未来的装置能把稳定度提高几个数量级,两边的部件合起来又能互补;北京团队今年2月发表激光光源,6月就公开了核钟运行的结果。舒姆的团队从2008年起做这件事;10月7日,维也纳和北京的两篇核钟论文同一天刊登在《自然》上。
综合路透社报道
数据:《自然》论文 Nature、清华大学



