時間測量一直是人類文明的基本方面，從最初的日晷發(fā)展到今天高度精確的原子鐘。對更高精度的追求促使科學(xué)家探索核鐘，這種鐘表承諾具有前所未有的準(zhǔn)確性。最近發(fā)表在《自然》的論文，探討了 229mTh 同質(zhì)異能態(tài)躍遷與 87Sr 原子鐘的頻率比，強(qiáng)調(diào)了這項研究在精密計量學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的重要性。

229mTh 同質(zhì)異能態(tài)躍遷

釷-229（229Th）因其異常低能量的同質(zhì)異能態(tài)（稱為 229mTh）而在核中獨樹一幟。該狀態(tài)的能量約為8 eV，使其可以通過真空紫外（VUV）激光光源進(jìn)行訪問。229mTh同質(zhì)異能態(tài)躍遷涉及從基態(tài)（I=5/2）到激發(fā)態(tài)（I=3/2）的變化，可以使用先進(jìn)的光譜技術(shù)精確測量。

229mTh 用于核鐘的潛力在于其窄線寬和高品質(zhì)因數(shù)（Q因數(shù)），這些都是實現(xiàn)高精度時間測量的關(guān)鍵。229mTh的躍遷頻率已確定為約 2,020,407,384,335 kHz。

87Sr 原子鐘

鍶-87（87Sr）原子鐘是目前最精確的時間測量設(shè)備之一。這些鐘表基于 87Sr 原子的 5s^2 1S_0 和 5s5p^3P_0 狀態(tài)之間的電子躍遷，發(fā)生在約 429,228,004,229,879 Hz 的頻率下。87Sr 原子鐘的高穩(wěn)定性和精度使其成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)同步和基礎(chǔ)物理研究等各種應(yīng)用的理想選擇。www.ws46.com

頻率比的測量

229mTh同質(zhì)異能態(tài)躍遷與87Sr原子鐘的頻率比是開發(fā)核鐘的關(guān)鍵參數(shù)。該比率提供了核能級和電子能級之間的直接聯(lián)系，能夠進(jìn)行不同時間測量系統(tǒng)的比較和驗證。

為了測量這個比率，研究人員使用穩(wěn)定在 87Sr 原子鐘上的VUV頻率梳。頻率梳通過飛秒增強(qiáng)腔在VUV范圍內(nèi)相干地上轉(zhuǎn)換到第七諧波。這種設(shè)置允許在固態(tài) CaF_2 主體材料中直接激發(fā)229Th核鐘躍遷，從而精確測量躍遷頻率。

最近的實驗表明在這一領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，一組研究人員成功測量了229mTh同質(zhì)異能態(tài)躍遷和87Sr原子鐘之間的頻率比。他們的結(jié)果表明，229mTh同質(zhì)異能態(tài)躍遷確實是一個有希望的核時鐘候選者，其潛在的精度可能超過目前的光學(xué)原子鐘。

意義和應(yīng)用

測量229mTh同質(zhì)異能態(tài)躍遷與 87Sr 原子鐘的頻率比的能力標(biāo)志著精密計量學(xué)的一個重要里程碑。基于229mTh的核鐘相比傳統(tǒng)原子鐘具有多種優(yōu)勢，包括對外部擾動的敏感性降低和長期穩(wěn)定性更高。

這些進(jìn)展對基礎(chǔ)物理學(xué)有深遠(yuǎn)影響。例如，核鐘可以用于測試基本常數(shù)的恒定性、尋找暗物質(zhì)和探索重力下的量子效應(yīng)。此外，核鐘的發(fā)展可能導(dǎo)致更精確的時間測量系統(tǒng)，增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)同步和安全通信等技術(shù)。

結(jié)論

探索229mTh同質(zhì)異能態(tài)躍遷與87Sr原子鐘的頻率比代表了精密計量學(xué)、超快強(qiáng)場物理學(xué)、核物理學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)的融合。這項研究不僅為下一代時間測量設(shè)備鋪平了道路，還為探究自然基本法則開辟了新途徑。隨著科學(xué)家繼續(xù)完善這些技術(shù)，在應(yīng)用物理和理論物理領(lǐng)域取得突破性發(fā)現(xiàn)的潛力依然巨大。