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
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叨樂 發自 凹非寺
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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