钍-229核钟首次实现

Nature近期发表的两篇论文报道了该期刊所称的“核钟首次实现，这是计量学领域的一座里程碑”。两篇论文背后的研究均涉及放射性同位素钍-229。

Luca Toscani de Col等人撰写的《带反馈回路的钍-229光学核钟》介绍了奥地利Vienna Center for Quantum Science and Technology团队牵头开展的研究。Beichen Huang等人撰写的《与229Th同步的核钟》介绍了中国Tsinghua University和Beijing Academy of Quantum Information Sciences团队开展的研究。

原子钟与核钟：核钟可以视为一种特殊类型的原子钟。普通原子钟于20世纪40年代末首次得到演示，其工作原理是利用激光或微波使电子在原子核周围“电子壳层”的不同能级之间来回跃迁。相比之下，核钟利用激光在原子核的不同量子能态之间进行切换。

通过将激光调谐至这种核跃迁的“共振频率”，然后计算激光在一秒内通过给定点的次数，便可极其精确地测量核共振频率，并有望由此研制出迄今稳定性和精度最高的计时装置。由于Th-229原子核的共振跃迁频率异常低，使用这种同位素的时钟将具有极高精度。

北京研究：Tsinghua University物理学家Shiqian Ding指出，他所在的团队与维也纳研究团队“彼此独立开展工作，采用不同的实验方法，同时研制出了可运行的钍-229核钟。我认为这非常令人鼓舞，因为它表明这一概念具有稳健性，并不依赖某一种特定的技术实现方式。”

维也纳研究：参与Vienna Center for Quantum Science and Technology团队研究的物理学家Thorsten Schumm表示，“近50年来，核钟一直是物理学家的梦想。我的团队自2008年起就一直朝着这一目标努力。”

尽管两个团队采用的方法存在相似之处，但维也纳研究人员在核钟中使用了浓度更高、光学性质质量更好的钍晶体，而北京团队则在核钟中使用了功率特别强的激光器。

暗物质实验：Schumm及其维也纳同事将核钟技术应用于一项涉及暗物质的物理实验。暗物质是一种不可见的物质形态，既不发射、吸收，也不反射光，并被认为构成了星系的大部分质量。实验表明，该核钟的性能至少与现有原子钟相当。

论文称：“我们利用核钟寻找核跃迁能量在20秒至1天时间尺度上的周期性波动和缓慢漂移，从而约束超轻暗物质模型。得益于钍-229跃迁灵敏度的增强，这些约束在暗物质与光子耦合方面可与性能最好的原子钟相竞争，并在暗物质与强相互作用力耦合方面超越了以往的测量结果。”

实际应用：实用核钟的极高精度和稳定性将带来多种实际应用，包括全球卫星导航系统、蜂窝通信和光纤通信、数据传输同步以及测绘和计量。正如暗物质实验所表明的那样，此类时钟对于推动基础物理研究也将非常有用。

维也纳和北京的研究人员均计划继续改进各自的核钟，因为正如Schumm所说，这项技术的性能仍“远未达到目标”。他补充说，两个团队还将继续在研究报告方面开展合作——正如他们同时在Nature发表论文时所做的那样——并汇集研究成果，以研制出性能尽可能优异的核钟。