葉軍院士團隊登Nature封面：新型“核鍾”可為原子核內基本力提供新見解_風聞

叨樂 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

中國科學院外籍院士、物理學家葉軍團隊，原子鐘項目再次登Nature封面！

這次從投稿到接收僅用了27天。

具體來説，團隊開發了一種基於原子核中能量微小變化的時鐘，能做到比目前世界上最好的計時器（光鍾）更精確，並且對干擾的敏感度更低。

被Nature評價為“可能改變基礎物理學研究”，可以提供對原子核中基本力的新見解。

核基固態光學鐘的開端

比原子鐘還精確！

現在的很多超精確時鐘都是用原子的電子能級來計時的，比如鍶-87原子鐘。

原子鐘的測量精度非常高，每過150億年才會有一秒的誤差。

而基於核能級的核鍾被認為是原子鐘的pro版本，葉軍團隊的最新研究正是圍繞這個主題展開。

實驗中，葉軍團隊成功利用真空紫外（VUV）頻率梳直接激發鈾-229核時鐘躍遷，並與銣-87原子鐘建立了直接的頻率連接。

這是首次通過激光直接激發鈾-229核躍遷，是核時鐘與原子鐘之間的首次直接頻率比測量。

他們還精確測量了鈾-229核躍遷的絕對頻率，達到了千赫茲級別的精度，併成功提取了核四極分裂的內在特性。這些數據對於暗物質的探索和研究開闢了新的方向。

除此之外 ，葉軍團隊的這項研究也標誌着核基固態光學鐘的開端，給這種新型始終以後用在實際情況中打下了基礎。

**△**絕對頻率測定直接激發和頻率比測量

為了實現研究目標，葉軍帶領進行了多個實驗步驟：

首先，他們使用摻鉺光纖激光器生成紅外頻率梳，並通過一系列放大過程將輸出功率提升到40-50瓦特。

**△**核鍾躍遷的VUV梳狀光譜

接着，團隊將紅外頻率梳聚焦到氙氣噴霧中，生成波長約為148.3納米的真空紫外（VUV）頻率梳。

**△**全範圍梳狀掃描

然後，研究人員將VUV頻率梳的基頻與銣-87原子鐘的頻率進行穩定連接，以確保頻率的準確性，並通過直接激發鈾-229的核躍遷，建立核時鐘與原子鐘之間的頻率比測量。

**△**線路形狀和中心頻率確定

在樣品製備方面，團隊使用摻鈾-229的氟化鈣單晶作為激發目標，摻雜濃度為5×10^18 cm^-3。

通過VUV頻率梳的單一頻率線，他們成功激發了鈾-229的核時鐘躍遷，激發後樣品內的鈾-229核釋放出熒光光子。

最後，研究人員使用反射拋物鏡收集從鈾-229衰變中發出的熒光光子，並通過光電倍增管計數這些光子，記錄信號以分析核躍遷的特性和頻率，成功實現了鈾-229核時鐘與銣-87原子鐘之間的直接頻率比測量。

**△**核電四極結構的直接光譜測量一個想理解宇宙的鐘表匠

葉軍現任美國科羅拉多大學博爾德分校的教授，同時也是美國國家標準與技術研究院（NIST）和科羅拉多大學聯合建立的天體物理聯合實驗室（JILA）的研究員。

在原子鐘和量子多體物理學領域頗有盛名。

本科畢業於上海交通大學應用物理系，博士畢業於科羅拉多大學，導師是諾貝爾物理學獎得主約翰·霍爾。

自1999年，葉軍就致力於光學原子鐘的研發，他的團隊開發的光學原子鐘被認為是世界上最精確的時鐘之一，其測量精度達到了每150億年誤差不到一秒的水平。

2007年，葉軍及研究團隊做出了世界上首台**“每7000萬年僅誤差1秒”**的鍶原子光鍾。

此後多年，他的團隊不斷推進原子鐘的性能提升。

2017年，他們設計了一種新型原子鐘，將鍶原子裝入微小的三維光晶格中。這種三維結構使得原子密度較之前的一維光晶格設計提高了近1000倍。

而如今，他的團隊在這個領域又有新的突破，成功開發出一種新型核鍾。

未來，我們也有理由期待這位**“想理解宇宙的鐘表匠”**，會給人們帶來更多的驚喜和突破。

參考鏈接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6#Sec14

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-024-02865-w

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6