光学核子时钟的科研之路

钍-299原子核具有所有已知的核素之间的独特属性：它应该有可能激发紫外线。到目前为止，很少有对钍-299原子核的低能状态进行相关的研究工作。同事们聚在一起，来自慕尼黑和美因兹的德国物理研究院的研究人员已经进行了首次测量用光学方法的一些重要性质的原子核状态，如形状的电荷分布。

通过这种方式，可以监测原子核的激光激发，从而使光学核钟能够实现比现今的原子钟更精确的“滴答”。科学家已经在日前《自然》杂志上报告了他们的结果。

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上图所示是德国物理研究院的科学家Johannes Thielking激光装置在对钍-299原子核性能测量。图片来源：德国物理研究院

早在15年前，Ekkehard Peik和Christian Tamm就曾在德国物理研究院开发了一个新的原子钟，其具有独特的性能，不是像今天的原子钟那样利用电子壳中的两个状态之间的过渡频率作为时钟的脉冲发生器，而是他们设想使用原子核中的跃迁频率进行实现。因为原子核中的质子和中子比原子壳层中的电子被密集地填充了几个数量级，所以它们对外界干扰的敏感度降低，这些干扰可以改变它们的转换频率，从而为高精度时钟提供了良好的条件。

然而，核跃迁的频率也远高于壳层跃迁的频率（在X射线范围内）；因此，它们对于原子钟是不可用的，原子钟迄今仅基于微波或激光。唯一已知的例外，和德国物理研究院的建议的可用于研究的基础，是钍-299原子核。

该原子核在非常低的激发态能上具有准稳定的、异构的核态。因此，在基态和该异构体之间存在过渡，该异构体在紫外光的频率范围内，因此在激光技术的范围内，类似于现今的光学原子钟中使用的那样。

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一种基于在钍-299原子核转变核时钟的图示。在这样的时钟中，原子核会被激光激发。在本实验中，激光激发电子壳层允许测量激发、异构核的相关性质。从核图相应的断路器，它将所有已知的原子核，在背景中可见。钍-299原子的基态是列出的半衰期为7932年。在中性原子中，同分异构态的半衰期仅为7μs，而对于离子则为60 s，因为这不能发射松散结合的电子。表征核性质的M和Q指示电荷分布和形状也被表明。图片来源：德国美因兹大学。

在世界各地有超过10个的研究小组目前正在对钍-299原子核时钟的可行性项目进行研究。从实验的角度来看，这个问题已经证明是极其困难的。由于这个原因，迄今为止没有观察到利用光学方法观察核跃迁的成功，因为对异构体的精确激发能量的了解仅仅是近似的。“由于时钟的需要，过渡的共振是非常尖锐的，并且只有当激光的频率精确地匹配两个状态的能量差时才能观察到。因此像大海捞针一样众所周知的搜索，” Peik博士说。

2016年，Peik博士的合作伙伴慕尼黑的路德维希-马克西米利安大学就曾在《自然》杂志上报告了他们的第一次突破，这是第一次，他们能够证明在钍-299原子核的过渡，尽管他们使用的方法是很不同用于原子钟的方法。

这个合作研究项目，除德国物理研究院和慕尼黑大学的科学家，也包括来自美因兹约翰内斯·古登堡大学的科学家，美因兹亥姆霍兹研究所等，目前该项目已经迈出决定性的一步：这将是首次探测出原子核的基本性质如电荷分布的大小和形状，以及对钍-299原子核激发态的测量。

为此，该钍-299原子核不是从基态激发（将时钟在未来发生）；相反，在设备开发的逻辑，他们在激发态的衰变的铀-233，减缓和存储在离子状态的离子阱中。

适合于这一研究条件的铀-233源是由美因兹和达姆施塔特集团提供。通过激光系统在德国物理研究院对这些离子的光谱手段，它是可以测量的电子壳层跃迁频率的准确。因为这些频率直接受到核性质的影响，所以它们可以用来获得关于这些性质的信息。

到目前为止，仅基于理论模型无法预测的核结构会表现出这种钍-299原子异常低能过渡期间。此外，由于电子壳层的结构更容易用光谱学来测量，因此已经有可能使用它来证明原子核的激光激发。

然而，即使如此也并不意味着对钍-299原子核的光学谐振频率的研究搜索已经完成（“真是大海捞针”），现在我们知道这种测量只是实际上看起来像，仅仅是给我们带来了更接近光学原子钟的重要步骤罢了。

原文来源：https://phys.org/news/2018-04-en-route-optical-nuclear-clock.html（实验帮译）

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