如果把一位核物理专家、一位光学专家和一位晶体生长专家关在同一个实验室时，他们会干些什么？答案是，制造出当今世界上最坚固、最精确的时钟——核钟。9月4日，科罗拉多大学博尔德分校、美国国家标准与技术研究院（NIST）、维也纳工业大学、IMRA America公司、慕尼黑大学组成的研究团队在《Nature》期刊上发表题为“Frequency ratio of the Th-229m nuclear isomeric transition and the Sr-87 atomic clock”（钍-229m核异构跃迁和锶-87原子钟的频率比）的研究论文，张传坤博士为论文第一作者兼共同通讯作者，叶军院士为论文共同通讯作者。
张传坤等人通过一个定制的频率梳驱动原子核中的跃迁，向核钟的开发迈出了巨大的一步，这种核钟有可能记录到支配物理世界的基本常数中最细微的变化。这篇论文从投稿到接收仅仅27天，且被选为当期封面，并同时被《Nature》的nature podcast系列、news & views系列、news系列、editorials系列以及《Science》的News系列报道。
研究成果
张传坤等人使用真空紫外（VUV）频率梳直接激发固态CaF2基质材料中的窄钍-229（Th-229）核钟跃迁，并确定绝对跃迁频率。他们将基频梳稳定至JILA的锶-87（Sr-87）时钟，并通过使用飞秒增强腔将基频相干地上变频到VUV范围内的七次谐波。这种VUV频率梳在原子核能级与电子能级之间建立了频率联系，使他们能够直接测量钍-229核钟跃迁和锶-87原子钟的频率比。结果显示，钍-229的核跃迁频率为2,020,407,384.335(2) kHz，并且与锶-87原子钟的频率比为4.707072615078(5)。这一结果相比以往的测量精度提高了六个数量级，极大推进了钍-229核时钟的研究。他们精确测量了核四极劈裂并提取异构体的内禀性质。这些结果标志着基于原子核的固态光钟的开始，并首次将用于基础物理研究的核钟与原子钟进行比较。这项工作代表了精密计量学、超快强场物理、核物理和基础物理的融合。
核钟难鸣
从通过观测月相计时到钟摆，再到石英振荡器，测量时间的技术历经了漫长的创新历史。当前全球的时间测量标准基于铯原子微波跃迁的原子钟。这些精密设备可以在全球范围内精确同步，精度可达小数点后16位数。如此之高的精度足以支持太空任务，并帮助人们使用全球定位系统（GPS）实现精度在1米以内的导航。另一种不同类型的原子钟使用光学频段内的发射光跃迁，而非微波频段内的发射光跃迁。光钟可以提供比铯钟更为精确的时间测量。不同离子和原子的跃迁被用于光钟，它们的振荡频率通过频率梳相互比较，并与铯钟进行对比。频率梳是一种激光系统，它同步发射数百万个离散频率的光，其光谱像一把梳子，梳齿之间的间距均匀且已知。这种光谱类似于一个完美调音的大钢琴上同时敲击上百万个琴键产生的声音。任何光频都可以通过调谐，与最近的梳齿匹配。在此之前，精度最高的钟是由锶原子构成的光钟，基本不受外界扰动的影响。它比标准铯钟的精度高出约100倍。如果原子跃迁可以如此成功地作为时间测量的工具，那么原子核呢？一方面，原子核的体积比普通原子小10万倍，因此更不易受到环境的影响。另一方面，原子核跃迁的频率通常比原子跃迁高出至少1万倍，但钍-229却是个例外：倘若略微重排它的质子和中子，那么仅需8.4 eV就可以从最低能态（基态）跃迁至某个长寿的激发态。相比于将原子核保持在一起的核力与电磁力而言，这样的能量异常之低。这使得核钟成为测试基础物理学的高灵敏度仪器。因此，一旦核钟投入使用，它将能够揭示宇宙的一个秘密：核力与电磁力是否总是恒定的，抑或某种尚未明确的机制令它们随时间缓慢漂移。
图：研究人员使用一种称为频率梳的激光设备探测了嵌入晶体中的钍 229 原子核。
早期测量数据表明，所需能量为3.5 eV，这意味着这种跃迁可以通过常规激光器来驱动。然而，后续的测量推翻了这一结果，表明实际的跃迁能量接近7.8 eV，这一能量位于VUV频谱范围内，并且可能会触发原子释放电子而不是辐射——电子释放的过程更加快速，并且在这里是不希望发生的。此外，利用激光器达到这样的能量同样极具挑战性。由此可见，核钟很难制造，这就是为什么花了将近50年的时间才接近工作模型的原因。对于大多数原子来说，需要大量的能量才能将原子核从其最低能量状态中抬离，这远远超出了使用精确、稳定的探测激光器所能达到的效果。
核钟初鸣
1976年，同位素钍-229的放射性衰变模式表明，原子核的基态和第一激发态之间的能隙比其他原子核小得多。进一步的计算表明，激光可能可以访问发生跃迁的能量窗口，这促使物理学家在2003年提出了一种基于钍的时钟。但是原子核的理论模型无法以必要的精度预测这种跃迁的能量，因此找到这个跃迁意味着要搜索大量可能的值。此外，钍-229从其第一个能态缓慢衰变。因此，半衰期约为30分钟，观察到每秒衰变的概率很低。这项工作在过去几年中获得了新的动力，很大程度上要归功于原子物理学与原子核物理学以外领域科学家的投入。2023年，瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN的稀有同位素专家通过使用创新方法制造了钍-229，并首次观察到了低能跃迁。该团队将足够数量的激发态钍-229离子注入氟化钙晶体中，以便使用VUV光谱仪直接检测到发射的光子。这项研究提高了光子能量估计的准确性，将其达到8.3 eV，加速了能够激发这种跃迁的激光器的开发。与此同时，某个德国课题组建造了能够完成这项任务的VUV激光器，这些科学家与奥地利维也纳工业大学的固体物理学家培养出大量的钍-229原子的晶体，并一起实现了钍-229核跃迁的首次激光激发。参与当前工作的其他作者开发了一种VUV频率梳，可以激发核跃迁，并同时与附近由锶原子调节的光学时钟同步。张传坤等人将奥地利晶体装置带到了美国，在那里他们用VUV频率梳驱动激发，创造了历史。通过反复实验表明，这种频率梳可以激发核跃迁，并读出其频率与锶跃迁频率的关系。他们观察到的核激发态的寿命约为10分钟，这意味着该系统可用于产生2拍赫兹（注：1PHz为10^15Hz）的时钟，且不确定性在微赫兹范围内。张传坤等人总共发现了七条跃迁谱线，其中五条是预期的。这些跃迁源于原子核电荷分布与晶体中强电场的相互作用导致的能级劈裂。这些跃迁谱线的中心频率约为2 PHz，张传坤等人能够以12位精度确定其频率，但是与锶原子钟相比，精度还差6位。研究团队希望进一步提高精度，但目前受到频率梳齿宽的限制，这些齿宽由于生成过程而变宽。为了实现计量学的应用，未来可能需要改进现有的光学技术，将其应用于VUV频率范围，从而进一步缩窄频率梳齿宽。接下来会怎样？虽然确切的跃迁频率可能取决于氟化钙晶体基质的特性，但即便是最小的晶体也可以容纳大量钍-229原子。这使得通过对多个核跃迁取平均值，获得可重复的频率成为可能。比张传坤等人所报道的更紧凑的VUV频率梳有望催生稳定的小型核钟，这类时钟拥有许多潜在的应用。激发态的钍-229原子核还可以被用作量子比特，用于存储和处理量子信息。单个囚禁钍-229离子也可以用来构建VUV核钟，这种核钟比现有的光学原子钟对环境的敏感性更低。一个令人振奋的前景是，监测核钟的跃迁频率随时间的变化可以揭示出一些假设中的微小变化，如精细结构常数（用于量化电磁相互作用的强度）的变化，或核粒子之间耦合的变化，这些都将推动人们对新物理学的探索。张传坤等人的惊人成就为三十年来的精彩研究画上句号，并且或将在不久的未来展现出许多令人兴奋的发现。
合作方可摆脱科学孤岛
在这项工作中，不同国家的单位以不同分工参与其中，彰显出合作在研究中的价值。8月24日，由Google Research、马萨诸塞大学阿默斯特分校、Google DeepMind、加州大学圣巴巴拉分校、康涅狄格大学、奥本大学、苏黎世联邦理工学院、麻省理工学院、加州大学河滨分校、耶鲁量子研究所、耶鲁大学等13个单位组成的249人研究团队在量子纠错方面迎来重大突破。
图：arXiv2408.13687
相比之下，中国的企业与企业之间、企业与高校之间极少开展大规模的合作。近几年，中国一直被排除在欧美量子生态圈之外。从外及内是严格的进出口管制政策封锁，由内而外是缺乏国际合作带来的孤立无援，这种情况大概率还将持续存在。目前，已有多国的官方文件中出现了相同的措施：限制量子技术及其相关技术（设备、材料、软件等）的出口。美国、英国、欧盟、法国、日本、荷兰、加拿大和西班牙，均已经在近两年发布对量子技术的限制措施。在此情形下，我们更应该集中力量办大事。比如，可由政府牵头，联合高校、科研院所、企业开展重点项目突破。此外，还可以组建量子产业联盟，加强量子科技前沿国内外合作，推动成果共享。
全球化浪潮中，合作不仅是科研进步的催化剂，更是打破孤岛、共克时艰的桥梁。面对外部限制与挑战，我们更应坚守开放与协作的精神，以集体智慧攻坚克难，携手并进，开启中国量子科技的新篇章。
主要研究人员
张传坤，科罗拉多大学博尔德分校物理系博士在读，从事XUV频率梳项目，为Th-229m原子核的直接激光光谱构建XUV频率梳。2013年保送清华，获得物理奥赛全国一等奖。2015年，代表清华，获得全国大学生物理实验竞赛之基础性题目竞赛全国一等奖。
叶军，科罗拉多大学博尔德分校教授、NIST研究员。他率领的研究小组探索光-物质相互作用的前沿，在量子态中制备了新型原子和分子物质，并且包括连续波和超短脉冲在内的光场都得到了精细控制。这些实验工作建立在精密测量、超冷原子和分子、量子计量学以及超快科学和量子控制的基础上并进一步推进。在高精度激光光谱、原子和分子冷却和囚禁、光频率计量、量子控制和超快激光器领域开发新技术，并将这些新技术应用于基础物理学的研究。具体而言，叶军课题组研究了禁闭在光晶格中的超冷锶原子，用于高精度原子钟和量子信息科学。光学频率梳的精确控制应用于灵敏的分子检测、高分辨率量子控制和极端非线性光学，以探索光谱学的新前沿。超冷分子被用于基础物理测试、化学反应的新型控制研究以及超冷物质中的量子动力学。
