使用激光提高原子核的能量状态（称为激发）可以制造出最精确的原子钟。但这一过程具有挑战性，因为围绕原子核的电子对光具有高度反应性，因此需要更多的光来影响原子核。加州大学洛杉矶分校的物理学家通过将电子与透明晶体中的氟结合，克服了这一难题，使他们能够使用中等量的激光激发钍原子核中的中子。这一成就为时间、重力和其他领域的测量提供了更加精确的方法，远远超过了当前由原子电子提供的精确度水平。
近半个世纪以来，物理学家一直在设想，如果能用激光提升原子核的能量状态，将会出现哪些可能性。这一突破将使当前的原子钟能够被核钟所取代，核钟是有史以来构思出的最精确的时计装置。如此精确的时计将彻底改变深空导航和通信等领域。
此外，这也能让科学家们精确测量出自然界的基本常数是否真的恒定不变，或者只是因为我们尚未精确测量才看起来如此。
现在，加州大学洛杉矶分校物理和天文学教授埃里克·哈德森（Eric Hudson）领导的研究团队已经完成了看似不可能的任务。通过将钍原子嵌入高透明晶体中并用激光轰击它，哈德森团队成功地让钍原子核像原子中的电子一样吸收和发射光子。这项惊人的壮举在《物理评论快报》上发表的一篇论文中有所描述。
增强的测量能力
这意味着目前使用原子电子进行的时间、重力和其他领域的测量可以以数量级更高的精度进行。原因是原子电子受到环境中许多因素的影响，这些因素影响它们吸收和发射光子的方式，并限制了它们的准确性。相比之下，中子和质子被束缚在原子核内并高度集中，受到的环境干扰较小。
借助新技术，科学家们或许能够确定基本常数（如精细结构常数，它决定了将原子聚集在一起的力的强度）是否会发生变化。天文学的一些线索表明，精细结构常数在宇宙的所有地方或所有时间点可能并不相同。使用原子核钟对精细结构常数进行精确测量可能会彻底改写自然界的一些最基本定律。
哈德森说：“核力如此强大，意味着原子核中的能量是电子中的一百万倍，这意味着如果自然界的基本常数发生偏差，原子核中产生的变化会更大，更明显，使得测量结果的灵敏度更高。” “使用核时钟进行这些测量将提供迄今为止对‘常数变化’的最灵敏测试，未来100年内，很可能没有实验能与之媲美。”
哈德森小组是第一个提出一系列实验的小组，他们计划使用激光刺激掺杂到晶体中的钍-229原子核，并且他们已经在过去15年里努力实现了新发布的这些成果。让原子核中的中子对激光产生反应是一项挑战，因为中子被电子包围，电子会轻易地对光作出反应，并可能减少实际能够到达原子核的光子数量。如果一个粒子提高了其能级（例如，通过吸收光子），那么它就被称为处于“激发”状态。
核物理中的挑战与创新
加州大学洛杉矶分校的团队在富含氟的透明晶体中嵌入了钍-229原子。氟能与其他原子形成特别强的化学键，将原子悬浮并暴露出原子核，就像蜘蛛网上的苍蝇。电子与氟结合得如此紧密，以至于激发它们所需的能量非常高，使得低能光能够到达原子核。然后，钍原子核可以吸收这些光子并重新发射它们，从而可以检测和测量原子核的激发。通过改变光子的能量并监测原子核的激发速率，研究团队能够测量出原子核激发态的能量。
哈德森说：“以前我们从来没有能够用激光驱动过这样的核跃迁。如果你用透明晶体固定住钍，那么你就可以用光来和它交流。”
哈德森表示，这种新技术有望在传感、通信和导航等需要极高精确计时的领域中找到用武之地。现有基于电子的原子钟是房间大小的装置，有真空室来捕获原子和与冷却相关的设备。而基于钍的核时钟将更小、更坚固、更便携、更精确。
“没有人会对钟表感到兴奋，因为我们不喜欢时间有限的想法，”他说。“但是我们每天都在使用原子钟，例如，在手机和GPS工作的技术中。”
除了商业应用外，新的核光谱学还可以揭示宇宙中一些最大的谜团。对原子核的敏感测量为科学家们了解原子核的性质及其与能量和环境的相互作用开辟了一条新途径。这反过来又可以让科学家们测试他们对物质、能量以及时空定律的一些最基本的想法。
哈德森说：“人类和地球上大多数生命一样，存在的尺度要么太小，要么太大，以至于无法观察到宇宙中真正发生的事情。”“从我们有限的视角所能观察到的是不同大小、时间和能量尺度上的效果聚集，而我们制定的自然常数似乎在这一层面上是恒定的。
“但如果我们能观察得更精确，这些常数可能会变化！我们的工作已经朝着这些测量迈出了一大步，无论如何，我相信我们会对我们的发现感到惊讶。”
“几十年来，对基本常数的测量精度不断提高，使我们能够更好地理解宇宙的所有尺度，并随后开发新技术，促进经济发展并加强国家安全，”美国国家科学基金会数学与物理科学局代理副主任丹尼斯·考德威尔表示，该机构为这项研究提供了资金。“基于原子核的技术有一天可能会让科学家如此精确地测量一些基本常数，以至于我们可能不得不停止称它们为‘常数’。”
参考文献：“固态宿主中Th229核异构体跃迁的激光激发”，作者为R. Elwell、Christian Schneider、Justin Jeet、J. E. S. Terhune、H. W. T. Morgan、A. N. Alexandrova、H. B. Tran Tan、Andrei Derevianko和Eric R. Hudson，2024年7月2日，《物理评论快报》。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.013201
这项研究得到了美国国家科学基金会的资助。
