新型核钟可为原子核基本力提供新见解 叶军院士团队登Nature封面

中国科学院外籍院士、物理学家 叶军 团队,原子钟项目再次登 Nature封面

这次从投稿到接收仅用了 27天

具体来说,团队开发了一种基于原子核中能量微小变化的时钟,能做到比目前世界上最好的计时器(光钟)更精确,并且对干扰的敏感度更低。

被Nature评价为“可能改变基础物理学研究”,可以提供对原子核中基本力的新见解。

核基固态光学钟的开端

比原子钟还精确!

现在的很多超精确时钟都是用原子的电子能级来计时的,比如 锶-87原子钟

原子钟的测量精度非常高,每过 150亿年 才会有一秒的误差。

而基于核能级的 核钟 被认为是 原子钟的pro版本 ,叶军团队的最新研究正是围绕这个主题展开。

实验中,叶军团队成功利用真空紫外(VUV)频率梳直接激发铀-229核时钟跃迁,并与铷-87原子钟建立了直接的频率连接。

这是首次通过激光直接激发铀-229核跃迁,是核时钟与原子钟之间的 首次直接频率比测量

他们还精确测量了铀-229核跃迁的绝对频率,达到了千赫兹级别的精度,并成功提取了核四极分裂的内在特性。这些数据对于暗物质的探索和研究开辟了新的方向。

除此之外 ,叶军团队的这项研究也标志着 核基固态光学钟的开端 ,给这种新型始终以后用在实际情况中打下了基础。

△绝对频率测定

直接激发和频率比测量

为了实现研究目标,叶军带领进行了多个实验步骤:

首先,他们使用掺铒光纤激光器生成红外频率梳,并通过一系列放大过程将输出功率提升到40-50瓦特。

△核钟跃迁的VUV梳状光谱

接着,团队将红外频率梳聚焦到氙气喷雾中,生成波长约为148.3纳米的 真空紫外 (VUV)频率梳。

△全范围梳状扫描

然后,研究人员将VUV频率梳的基频与铷-87原子钟的频率进行稳定连接,以确保频率的准确性,并通过直接激发铀-229的核跃迁, 建立核时钟与原子钟之间的频率比测量

△线路形状和中心频率确定

在样品制备方面,团队使用掺铀-229的氟化钙单晶作为激发目标,掺杂浓度为5×10^18 cm^-3。

通过VUV频率梳的单一频率线,他们 成功激发了铀-229的核时钟跃迁 ,激发后样品内的铀-229核释放出荧光光子。

最后,研究人员使用反射抛物镜收集从铀-229衰变中发出的荧光光子,并通过光电倍增管计数这些光子,记录信号以分析核跃迁的特性和频率, 成功实现了铀-229核时钟与铷-87原子钟之间的直接频率比测量

△核电四极结构的直接光谱测量

一个想理解宇宙的钟表匠

叶军现任美国科罗拉多大学博尔德分校的教授,同时也是美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学联合建立的天体物理联合实验室(JILA)的研究员。

原子钟 量子多体 物理学领域颇有盛名。

本科毕业于上海交通大学应用物理系,博士毕业于科罗拉多大学,导师是诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔。

自1999年,叶军就致力于光学原子钟的研发,他的团队开发的光学原子钟被认为是世界上最精确的时钟之一,其测量精度达到了每150亿年误差不到一秒的水平。

2007年,叶军及研究团队做出了世界上首台 “每7000万年仅误差1秒” 的锶原子光钟。

此后多年,他的团队不断推进原子钟的性能提升。

2017年,他们设计了一种新型原子钟,将锶原子装入微小的三维光晶格中。这种三维结构使得原子密度较之前的一维光晶格设计提高了近1000倍。

而如今,他的团队在这个领域又有新的突破,成功开发出一种新型核钟。

未来,我们也有理由期待这位 “想理解宇宙的钟表匠” ,会给人们带来更多的惊喜和突破。

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