这项新成果欧米伽未来研究所评定为"Ω潜在里程碑成果"，其重要科学意义表现为：原子钟是精密计时的巅峰，用于定义秒数并被纳入 GPS 和电信网络。通过精确放大原子核中的特定能量跃迁，研究人员比以往任何时候都更接近制造一种新型计时器：核钟。这种设备的精确度和稳定性可能超过当今最先进的原子钟，这让科学家们兴奋不已，希望用它们来探测暗物质和其他基本物理问题。

这项新研究成果发表在近日的《自然》杂志上，是研究人员首次让核钟的所有组成部分“同时运转”，这项研究的共同作者、美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校资助的联合研究中心 JILA 的物理学家叶军说。

德国国家计量实验室 PTB 的物理学家 Ekkehard Peik 表示：“这确实是他们向前迈出的一大步。”鲁汶天主教大学的物理学家 Sandro Kraemer 表示：“这个领域的发展速度和势头令人惊叹。”

原子钟依靠原子电子云中的能量跃迁。特定频率的微波或激光用于推动电子进入更高的能量状态。这些电子跃迁有助于稳定激光或微波振荡，从而提供时钟的“滴答声”——每秒数十亿甚至数万亿次。

核钟具有改进的潜力，因为诱导原子核中的质子和中子跃升能量需要频率高得多的激光，这样就可以用更精细的刻度来测量时间。更重要的是，原子核对外部电场和磁场的敏感度不如电子高，这使得核钟本质上更稳定。但大多数原子核的激发能都太高，任何激光都无法达到。

然而，钍具有异常低能跃迁，2003 年，Peik 和他的 PTB 同事 Christian Tamm提出将其作为时钟的基础。“我们很幸运大自然给了我们这个原子核，”Kraemer 说。

然而，为了开发一种能够激发原子核的激光器，研究人员需要确切知道钍-229 的激发能。直到去年，欧洲粒子物理实验室 CERN 的一个团队才检测到钍-229 从激发态衰变为基态时发射的光子，并测量了它们的能量：大约 8.4 电子伏。今年早些时候，Peik 和他的同事改进了这一测量方法，他们制造了一种紫外激光器，将钍-229 激发到激发态，然后在大约 10 分钟后检测到发射的光，进一步将激发能固定在 8.35574 电子伏，并确定相关激光频率约为 2020 太赫兹。

这还不够精确，无法制作出精确的时钟。因此，叶和他的同事决定使用激光频率梳来改进搜索，这种梳子可以产生 100,000 个稳定、精细分离的频率的光，也就是梳子的“齿”。

JILA 的研究人员将频率梳对准了一块沙粒大小的氟化钙晶体，其中嵌入了数百万亿个钍-229 原子。他们慢慢移动频率梳的线条，扫描一系列频率。五月的一天接近午夜时分，JILA 的研究生张传昆发现其中一条激光梳线条击中了钍，引发钍发出荧光，发出一道明显的光子闪光。他提醒了同事们，他们都冲回了实验室。“没人能睡着，”他说。

频率梳帮助研究人员确定了激光跃迁频率，比 Peik 团队的精确度高出一百万倍。而且由于该频率线与频率梳上的其他频率线完美连接，他们可以将激光连接到世界上最精确的原子钟之一，该原子钟基于锶。这种连接提供了有关核钟性能的关键数据，并帮助团队探测核跃迁。未来，这种连接可以帮助将核钟集成到现有的计时系统中。但要开发一个可操作的时钟，激光需要与核跃迁保持稳定。张说，这样做“微不足道”，但目前还不能制造出更精确的时钟。

理论上，基于晶体中捕获的钍原子的时钟将比现有的原子钟更稳定、更便携，现有的原子钟使用电磁阱和额外的激光系统来冷却和固定原子。这种时钟可用于探测重力对时间的影响——已发现仅相隔 1 毫米的时钟会以不同的速率走时，因为它们所经受的重力存在微小差异。这种精巧的计时器可以寻找可能由引力波通过或火山爆发前地下岩浆移动引起的细微变化。

核钟的另一个诱人物理应用是寻找暗物质的候选粒子。暗物质是一种看不见的物质，被认为占宇宙质量的 85%。许多模型提出，超轻暗物质粒子会直接与强核力相互作用。强核力是原子核中质子和中子结合在一起的引力。如果这些粒子与钍核相互作用，它们会扰乱跃迁频率，以可检测的方式扰乱时钟。“这是我们第一次可以直接进入强核区，”汉诺威莱布尼茨大学理论物理学家 Elina Fuchs 说。“到目前为止，这扇窗户是关闭的或只能间接进入的，而现在它已经敞开了。”

这项研究已经以前所未有的细节揭示了核行为。JILA 的测量结果提供了证据，表明钍等原子核在激发态和基态之间移动时会意外膨胀和收缩。“核物理一直不是非常精确测量的课题，因为我们没有这种能力，”叶说。

现在，这种情况正在改变，这一切都要归功于不起眼的时钟。“最容易测量的物理量是频率，”叶说。“这就是为什么时钟是最好的人类科学仪器。”