物理学家已经展示了原子钟的所有组件——通过测量原子核内微小能量变化来测量时间的装置。这种时钟可以显着提高精确测量的精度，并为基础物理学带来新的见解。

研究人员测量了导致稀有同位素钍229的原子核转变为更高能态（原子钟的“时钟”）的光频率，其精度比之前的最佳值高出10万倍。他们通过将能量迁移与世界上最精确的时钟同步来实现这一目标。这项工作由科罗拉多州博尔德市 JILA 研究所的 Jun Ye 领导，并于 9 月 5 日发表在《自然》杂志上。 “这确实是近年来最令人兴奋的论文之一，”特拉华大学纽瓦克分校的核物理学家玛丽安娜·萨夫罗诺娃 (Marianna Safronova) 说。

这一突破是通过使用称为频率梳的激光设备检查钍 229 原子核实现的。从技术上讲，该装置并不是手表，因为它尚未用于测量时间。但萨夫罗诺娃说，如此令人印象深刻的结果使得原子钟的开发成为可能。

德国汉诺威莱布尼茨大学的理论物理学家艾琳娜·福克斯 (Elina Fuchs) 表示，事实证明，时钟的测量在粒子物理学中很有用。由于时钟的频率是由将原子核结合在一起的基本力决定的，原型可以确定一种暗物质（一种占宇宙物质约 85% 的不可见物质）是否正在小范围地影响这些力。 “这是了解核电的一个新的、直接的窗口，”福克斯说。

终极时计

世界上最好的时钟，称为原子钟，使用激光测量时间 - 光的频率经过精确调整，以获得在原子内两个能级之间移动电子所需的能量。最精确的原子钟每 400 亿年仅增减一秒。原子钟的工作原理略有不同：当质子和中子进入激发态时，原子钟将对应于质子和中子的能量跃迁，而不是电子。

这种能量转移需要稍高的紫外线频率，从而实现更快的计时，可以匹配或超过原子钟的精度。但原子钟最大的潜在优势在于它的精度和稳定性的结合。原子核中的粒子对电磁场等干扰的敏感度低于电子，这意味着原子钟可以是便携式且坚固的。英国特丁顿国家物理实验室的实验物理学家安妮·柯蒂斯 (Anne Curtis) 表示：“它以一种难以想象的方式变得不敏感，这对于我们今天的时钟的工作方式来说是难以想象的。”

但找到合适的原子核类型并确定将其转变为不同能态所需的频率对物理学家来说是 50 年的艰辛。 20 世纪 70 年代，间接证据表明钍 229 发生了奇怪的低能核转变，这种转变最终可能由桌面等离子体触发。但直到去年，科学家们才发现了所需的频率，今年他们成功地用激光启动了转变。

JILA 团队使用频率梳系统搜索嵌入晶体中的数万亿个钍 229 原子的跃迁频率。梳子产生一系列规则且均匀间隔的激光频率线。这使得研究人员能够同时以许多精确的频率照射晶体来寻找目标，而不是用单频激光费力地扫描可能选项的光谱。

梳子的设置 - 包括线或“齿”之间间隙的宽度 - 使用原子钟进行校准并且可以调整。该团队进行了几次实验，当他们观察到钍 229 原子从激发态衰变时出现的特征发光时，他们使用这些设置来计算控制信号的频率。

研究合著者、JILA 物理学家张传昆表示，第一次观察到这种转变“感觉很神奇”。 “我们整晚都进行了测试，以检查这是否确实是我们正在寻找的信号，”他说。

基本力量

频率梳的特别之处在于，它允许物理学家测量时钟（此处为钍 229 核心）的频率时钟，作为与另一个已知频率（在本例中为原子钟）的比率。张说，这不仅使团队能够高精度地确定绝对频率值，而且还开辟了物理学中一些有趣的可能性。

福克斯说，如果一个时钟的速度相对于另一个时钟的速度随着时间的推移而变化，则可能表明决定能量水平的因素（例如强核力或电磁力）正在漂移或波动。她说，某些质量极低的“轻”形式的暗物质被认为具有这种效应。

力的任何变化都会放大核心向内迁移的频率，因此原子钟对此类暗物质影响的敏感度可能比原子钟高约一亿倍。福克斯说，最新的结果将频率精确到小数点后 13 位，已经足够精确，可以缩小光暗物质可能存在的能量范围。核物理学也可以受益于更精确的跃迁频率，这可以帮助科学家区分钍229核的不同可能形式。

但在原子钟超越原子钟之前还需要做更多的工作——原子钟目前精确到小数点后 19 位。研究人员将研究将钍 229 嵌入晶体中是否有意义（固体可以方便地制造可穿戴手表），或者限制单个原子是否会产生更好的结果。

激光系统也需要优化。 “幸运的是，这项令人惊叹的技术具有巨大的潜力，”德克萨斯农工大学大学城的物理学家奥尔加·科恰洛夫斯卡娅 (Olga Kocharovskaya) 说。她补充道，这是“未来手表中使用的信号源原型”。