原子核钟的研发 – nuClock

原子钟的工作原理是利用原子中的电子作为“钟摆”，由于电子受周围环境的干扰，可能影响准确度的提升，为了进一步提高时间测量的准确度，研究人员希望找到拥有更大能量差的量子态。原子核内所有能级都比单价电子大得多，且电子云保护原子核免受周围环境的干扰，消除了影响测量的副作用，因此，研究人员提出利用原子核的两种量子态作为未来新一代钟的核心。研究人员找到一种非常特殊的原子 – 钍229来设定频率，制造原子核钟。原子核钟一旦研制成功并投入运行，能够用于导航卫星，同步网络，并引导天文学家更好的探索宇宙。

因此，欧洲启动了原子核钟项目（nuClock），目的是研发一种能够比目前全球领先实验室运行的最精准的原子钟精度更高的钟。项目受欧盟FET开放方案 -“地平线2020研究与创新项目”的支持，项目周期为2015年至2019年。FET代表“未来与新兴技术”，这一主题正好契合原子核钟项目的目标：很简单，为了尽可能精确的测量时间，我们要建造世界最好的钟。

时间的测量

自古以来，人类最关心时间的测量，每次时间测量技术创新都能推动社会的即时进步。农民通过了解天体运动来确定收获的准确时间。机械钟革新了航海导航，保证一年内不差几秒的石英钟使得人人都能将钟表佩戴在身上。今天，导航卫星搭载原子钟为人们提供了每天使用的GPS信号。

原子钟测量的是电子两种量子态之间的能量差。大多数的原子钟使用碱性原子的单价电子，比如铷或者铯。用微波频率来转换两种量子态，这只有在微波辐射频率和两种量子态的能差完全对应的情况下才能实现。微波辐射频率与每个微波光子携带和传输至电子的能量是成正比的。频率值能够简单的利用电子设备转换成时间信号。目前这类原子钟的准确度大约为几亿年不差一秒。

第二代原子钟就是光钟，同样测量电子两种量子态之间的能差，但是这些量子态被几eV的能量分离，对应可见光一个光子的能量。因此，光钟使用激光替代微波辐射来运行。光钟的准确度大约是微波钟的100倍。

原子钟的“核化”

为了进一步提高时间测量的准确度，研究人员寻找拥有更大能量差的量子态。然而更大能差意味着更容易受环境干扰，于是，人们想到利用原子核的两种量子态作为未来新一代钟的核心。因为原子核内所有的能级都比单价电子的大得多，且电子云保护原子核免受周围环境的干扰，因此消除了干扰测量的副作用。2003年，科学家E. Peik和同事建议使用钍229的原子核来建造原子核钟。钍229这一特殊同位素拥有的特性是它的激发核态只比基态高几个eV，因此，能够用激光实现跃迁。这种量子态（异构体）是亚稳态，周期约为一小时，这一点同样有利于钟的运行。

然而，这一异构体的能量以及其寿命都是未知的。测量这些重要量面临两个巨大的障碍：钍229有放射性，而且它无法自然生成的。尽管如此，要建成一个可运行的钍钟，必须测量上述重要量。为了克服这一障碍，项目组同时启动了几个不同的测量技术方案。

未来前景

基于钍229异构体跃迁建造的原子核光学离子钟，只要能充分实现其窄线宽和系统误差少的优点，它的性能将超越目前最好的光钟。将原子核钟与传统原子钟进行比对，能够用于研究基本常数的漂移，比如量子色耦合参数，甚至精细结构常数。

固态原子核钟也许无法成为最精准的钟，但它可能将目前需要占用整个布满激光、光学器件和电子仪器的实验室的光钟设备缩小到一个毫米大小的晶体。这将大大降低空间、成本和能源损耗，对新一代导航卫星星载钟来说是一个绝佳的选择。

异构体跃迁必须发生在真空紫外光谱范围的波长内。目前，产生跃迁所需的可调窄线宽高功率cw激光尚未得到研发。这种激光的研制是一项艰巨的任务，一旦研制成功，将拥有从真空紫外光学光谱到晶片光刻检验等广阔的应用前景。

对钍的研究重点是一个几eV能级的原子核系统。在这一前提下，能够拓展到另一重要领域 - 中微子物理的研究。比如，原子核钟项目研发的伽马探测器将用于中微子静止质量的测量。此外，我们将使用在原子核系统中研发的光学光谱技术，首次使得用激光操控原子核成为可能。

研究团队

原子核钟项目研究团队包括8个欧洲研究小组，吸引了20多位研究背景从核物理、量子光学到激光研发的科研人员参与。这些来自德国、奥德利、芬兰等地的实验家和理论家们是全球顶尖的领域专家，分别来自德国物理技术研究院（PTB）、维也纳技术大学（TU WIEN）、慕尼黑LM大学（LMU）、海德堡大学、JYVÄSKYLÄ大学、马克思普朗克研究院、托皮卡光学公司。

（译：车薇娜 / 图：PTB网站）

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