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Nature报道:超精密核时钟即将诞生

编译者:marcus2017发布时间:Sep 23, 2019点击量:299 来源栏目:科研动态

9月11日《自然》(Nature)杂志“新闻和观点”(NEWS AND VIEWS)一栏,推出题为“One tick closer to a nuclear clock”的新闻,就超精密核时钟的工作进展进行详细介绍。基于单个钍原子核的时钟可能比现有的计时器更精确。 虽然这样的时钟还目前尚未实现,但是最近的两个工作是实现这一目标的关键步骤。

原子钟是目前计时的黄金标准。 这些装置基于原子的两个状态之间的能级跃迁来测量时间。 在最近Nature 的两篇论文中,Masuda等人【原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1542-3,发表时间2019年9月11日】和Seiferle等人【原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1533-4,发表时间2019年9月11日】共同报告了一种新型的时钟-核钟,而这个时钟均使用原子核的两个状态之间的能级跃迁。 这样的核钟胜过现有的原子计时器(如铯原子钟),并且在基础和应用物理学中均有应用。

几千年来,人类一直试图衡量时间的流逝。从日落、沙漏到怀表,人们不断努力提高量化和标准化时间的能力。在20世纪初期,科学家们一直在努力定义时间,并提出了各种物理标准来帮助计时同步。后来科学家们认识到原子跃迁这一行为与空间和时间均无关系,进而萌生了使用两个原子态之间的已知能级跃迁进行时间定义的想法。

在过去的70年里,原子钟一直在不断改进,目前准确度为10-18s。但是假如能做得比目前的原子钟更好呢?比如,假如能够制造一个比目前原子钟小10万倍的时钟,这时钟还对外部环境不太敏感,并且准确度可以到达10-19 s。考虑到原子核比原子小约100 000倍,理论上可以实现这样目标。

自2003年以来,世界各地的研究人员一直在尝试使用钍-229原子核来制造核钟。与已知的所有其他原子核不同,该原子核具有激发态(称为异构态),其能量仅高于其基态7电子伏特(eV)。正因为如此,可以使用专用激光器来控制这两种状态之间的跃迁。问题在于异构体状态的确切能量目前尚不清楚。Masuda 等人和Seiferle 等人在先前工作的基础上,通过进一步的实验,在理解钍-229异构体跃迁的确切特征方面取得了进展。

在Masuda及其同事的实验中,高强度X射线束穿过一对硅晶体,将X射线的能量范围缩小到0.1eV。然后用这些X射线照射处于基态的钍-229核。核转变为第二激发态,其能量远高于异构态的能量。窄带的X射线能量范围允许作者确定该第二激发态的精确能量:29.19keV。最后,细胞核直接衰变为异构状态。与之前相比,Masuda 等人的方法可以更有效地生产这种状态。

在Seiferle及其同事的实验中,铀-233离子的自然衰变产生了一束钍-229离子。约2%的钍离子处于异构状态。然后中和这些离子以使它们通过称为内转换的过程衰变到基态。在这个过程中,通常产生γ射线的核衰变会导致中性原子发射电子。然而,内部转换是复杂的,因为电子可以源自中性原子中的许多不同能级。为了观察来自内部转换的射出电子,Seiferle和同事利用磁场将这些粒子的轨迹弯向电子探测器。他们对电子施加电场,直到与该场相关的电压大到足以阻止电子。最终电压等于电子的初始能量。然后Seiferle 等使用理论模型来解释电子能谱,这是从同分异构态的衰变产物中观察到的第一个能谱。他们的分析表明异构态的能量为8.28±0.17 eV。

尽管最终和突破性目标--直接观察钍-229异构体跃迁--仍然难以实现,但目前已然仍在取得了实质性进展。Masuda 等人和Seiferle 等人的工作是前进的关键步骤。因为科学家团队正在竞相制造世界上第一个核时钟,以将提供前所未有的精确度,所以也许距离直接观察钍-229异构体跃迁并不十分遥远。最近的发现将使几十年后的大量实验和观察得以实现。例如,核钟可以应用于暗物质研究和观察物理学基本常数的可能变化。

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