核钟：时间的新纪元

[本刊讯] 时间的精确度对科学研究和人类的生产生活都至关重要，更高的精确度一直是人们努力的目标。从古代的日晷，到近代的机械钟，再到现代的原子钟，人类对时间的掌控越来越精细。近日，美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校的叶军等人实现了一项重大科学突破，它预示着人类对时间的测量可能即将进入新的阶段——核钟的时代，相关研究成果作为“封面文章”于2024年9月4日发表在《自然》（Nature）上。

原子钟是目前世界上最精确的时间测量工具，它通过电子在原子能级间跃迁时发射和吸收的光频率来计时。目前最精确的光晶格原子钟由叶军等人创造，时间测量误差在396亿年内不到1秒，相关研究成果于2024年7月10日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。但数十年来，科学家们一直在探索一种更为精确的计时方式——核钟。顾名思义，核钟是利用原子核能级间跃迁的计时装置，此跃迁频率比原子能级间的电子跃迁频率更高，因此理论上可以提供更精细的时间标准。另外，原子核能级间跃迁对电磁场、温度等外界环境的敏感度更低，有利于实现稳定的计时。

然而要实现核钟，面临着巨大的挑战，这是因为需要巨大的能量才能把原子核激发到激发态，这超出了现有激光技术的能力。幸运的是，钍-229的原子核具有电子伏特量级的激发态，这使得利用真空紫外激光来激发钍-229原子核成为可能。

此次的重大突破得益于不同领域、不同国家研究团队的合作。在过去的几年里，来自奥地利的科学团队制备出了可以嵌入钍-229原子核的氟化钙晶体；欧洲核子研究组织的研究人员首次观察到了钍-229原子核能级间的跃迁。在最新这项研究中，科学家们不仅成功地以极高的精度激发了钍-229原子核的跃迁，还通过频率梳将其与锶原子钟相连。这是核钟的所有部分首次“同时运行”。

核钟不仅在计时精度上有望超越原子钟，它们还具有更高的稳定性。此外，核钟对于基本物理常量的变化极为敏感，有助于科学家们探索宇宙的基本规律。

（王晋岚）