新火種
2024-09-06 
葉軍院士團隊登Nature封面：新型核鐘可為原子核基本力提供新見解
中國科學院外籍院士、物理學家葉軍團隊，原子鐘項目再次登Nature封面！
這次從投稿到接收僅用了27天。
具體來說，團隊開發了一種基于原子核中能量微小變化的時鐘，能做到比目前世界上最好的計時器（光鐘）更精確，并且對干擾的敏感度更低。
被Nature評價為“可能改變基礎物理學研究”，可以提供對原子核中基本力的新見解。
核基固態光學鐘的開端比原子鐘還精確！
現在的很多超精確時鐘都是用原子的電子能級來計時的，比如鍶-87原子鐘。
原子鐘的測量精度非常高，每過150億年才會有一秒的誤差。
而基于核能級的核鐘被認為是原子鐘的pro版本，葉軍團隊的最新研究正是圍繞這個主題展開。
實驗中，葉軍團隊成功利用真空紫外（VUV）頻率梳直接激發鈾-229核時鐘躍遷，并與銣-87原子鐘建立了直接的頻率連接。
這是首次通過激光直接激發鈾-229核躍遷，是核時鐘與原子鐘之間的首次直接頻率比測量。
他們還精確測量了鈾-229核躍遷的絕對頻率，達到了千赫茲級別的精度，并成功提取了核四極分裂的內在特性。這些數據對于暗物質的探索和研究開辟了新的方向。
除此之外 ，葉軍團隊的這項研究也標志著核基固態光學鐘的開端，給這種新型始終以后用在實際情況中打下了基礎。
△絕對頻率測定直接激發和頻率比測量為了實現研究目標，葉軍帶領進行了多個實驗步驟：
首先，他們使用摻鉺光纖激光器生成紅外頻率梳，并通過一系列放大過程將輸出功率提升到40-50瓦特。
△核鐘躍遷的VUV梳狀光譜接著，團隊將紅外頻率梳聚焦到氙氣噴霧中，生成波長約為148.3納米的真空紫外（VUV）頻率梳。
△全范圍梳狀掃描然后，研究人員將VUV頻率梳的基頻與銣-87原子鐘的頻率進行穩定連接，以確保頻率的準確性，并通過直接激發鈾-229的核躍遷，建立核時鐘與原子鐘之間的頻率比測量。
△線路形狀和中心頻率確定在樣品制備方面，團隊使用摻鈾-229的氟化鈣單晶作為激發目標，摻雜濃度為5×10^18 cm^-3。
通過VUV頻率梳的單一頻率線，他們成功激發了鈾-229的核時鐘躍遷，激發后樣品內的鈾-229核釋放出熒光光子。
最后，研究人員使用反射拋物鏡收集從鈾-229衰變中發出的熒光光子，并通過光電倍增管計數這些光子，記錄信號以分析核躍遷的特性和頻率，成功實現了鈾-229核時鐘與銣-87原子鐘之間的直接頻率比測量。
△核電四極結構的直接光譜測量一個想理解宇宙的鐘表匠葉軍現任美國科羅拉多大學博爾德分校的教授，同時也是美國國家標準與技術研究院（NIST）和科羅拉多大學聯合建立的天體物理聯合實驗室（JILA）的研究員。
在原子鐘和量子多體物理學領域頗有盛名。
本科畢業于上海交通大學應用物理系，博士畢業于科羅拉多大學，導師是諾貝爾物理學獎得主約翰·霍爾。
自1999年，葉軍就致力于光學原子鐘的研發，他的團隊開發的光學原子鐘被認為是世界上最精確的時鐘之一，其測量精度達到了每150億年誤差不到一秒的水平。
2007年，葉軍及研究團隊做出了世界上首臺“每7000萬年僅誤差1秒”的鍶原子光鐘。
此后多年，他的團隊不斷推進原子鐘的性能提升。
2017年，他們設計了一種新型原子鐘，將鍶原子裝入微小的三維光晶格中。這種三維結構使得原子密度較之前的一維光晶格設計提高了近1000倍。
而如今，他的團隊在這個領域又有新的突破，成功開發出一種新型核鐘。
未來，我們也有理由期待這位“想理解宇宙的鐘表匠”，會給人們帶來更多的驚喜和突破。
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