叶军院士团队登Nature封面：新型“核钟”可为原子核内基本力提供新见解

叨乐 发自 凹非寺

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中国科学院外籍院士、物理学家叶军团队，原子钟项目再次登Nature封面！

这次从投稿到接收仅用了27天。

具体来说，团队开发了一种基于原子核中能量微小变化的时钟，能做到比目前世界上最好的计时器（光钟）更精确，并且对干扰的敏感度更低。

被Nature评价为“可能改变基础物理学研究”，可以提供对原子核中基本力的新见解。

核基固态光学钟的开端

比原子钟还精确！

现在的很多超精确时钟都是用原子的电子能级来计时的，比如锶-87原子钟。

原子钟的测量精度非常高，每过150亿年才会有一秒的误差。

而基于核能级的核钟被认为是原子钟的pro版本，叶军团队的最新研究正是围绕这个主题展开。

实验中，叶军团队成功利用真空紫外（VUV）频率梳直接激发铀-229核时钟跃迁，并与铷-87原子钟建立了直接的频率连接。

这是首次通过激光直接激发铀-229核跃迁，是核时钟与原子钟之间的首次直接频率比测量。

他们还精确测量了铀-229核跃迁的绝对频率，达到了千赫兹级别的精度，并成功提取了核四极分裂的内在特性。这些数据对于暗物质的探索和研究开辟了新的方向。

除此之外 ，叶军团队的这项研究也标志着核基固态光学钟的开端，给这种新型始终以后用在实际情况中打下了基础。

△绝对频率测定直接激发和频率比测量

为了实现研究目标，叶军带领进行了多个实验步骤：

首先，他们使用掺铒光纤激光器生成红外频率梳，并通过一系列放大过程将输出功率提升到40-50瓦特。

△核钟跃迁的VUV梳状光谱

接着，团队将红外频率梳聚焦到氙气喷雾中，生成波长约为148.3纳米的真空紫外（VUV）频率梳。

△全范围梳状扫描

然后，研究人员将VUV频率梳的基频与铷-87原子钟的频率进行稳定连接，以确保频率的准确性，并通过直接激发铀-229的核跃迁，建立核时钟与原子钟之间的频率比测量。

△线路形状和中心频率确定

在样品制备方面，团队使用掺铀-229的氟化钙单晶作为激发目标，掺杂浓度为5×10^18 cm^-3。

通过VUV频率梳的单一频率线，他们成功激发了铀-229的核时钟跃迁，激发后样品内的铀-229核释放出荧光光子。

最后，研究人员使用反射抛物镜收集从铀-229衰变中发出的荧光光子，并通过光电倍增管计数这些光子，记录信号以分析核跃迁的特性和频率，成功实现了铀-229核时钟与铷-87原子钟之间的直接频率比测量。

△核电四极结构的直接光谱测量一个想理解宇宙的钟表匠

叶军现任美国科罗拉多大学博尔德分校的教授，同时也是美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学联合建立的天体物理联合实验室（JILA）的研究员。

在原子钟和量子多体物理学领域颇有盛名。

本科毕业于上海交通大学应用物理系，博士毕业于科罗拉多大学，导师是诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔。

自1999年，叶军就致力于光学原子钟的研发，他的团队开发的光学原子钟被认为是世界上最精确的时钟之一，其测量精度达到了每150亿年误差不到一秒的水平。

2007年，叶军及研究团队做出了世界上首台“每7000万年仅误差1秒”的锶原子光钟。

此后多年，他的团队不断推进原子钟的性能提升。

2017年，他们设计了一种新型原子钟，将锶原子装入微小的三维光晶格中。这种三维结构使得原子密度较之前的一维光晶格设计提高了近1000倍。

而如今，他的团队在这个领域又有新的突破，成功开发出一种新型核钟。

未来，我们也有理由期待这位“想理解宇宙的钟表匠”，会给人们带来更多的惊喜和突破。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6#Sec14

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-024-02865-w

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6