时间是一个抽象的概念,人类从物质运动、变化的规律性、持续性中发现了时间,并尝试以此来确定事件发生的先后次序,同时度量事件持续间隔长短。在这一背景下,人类也开始通过借助物质运动、变化的持续性与顺序性来记录并确定时间这条“尺度”上的“端点”与“间隔”,即“时刻”以及“时段”。并在科学技术的不断发展中,逐渐形成了现在我们习以为常的时间表述方式,以及钟。
而关于钟,有一个非常严肃却又被津津乐道的话题——“准不准?”
正如前文提到的,时间的概念非常模糊,人类表述时间的方式是从物质运动的规律诞生的,因此,想要判断时间准不准,实际上需要一个参考标准,而这个标准本身,实际上是一个非常严肃的科学命题。
目前我们使用的时间是协调世界时,这是一种以国际原子时秒长为基础单位,同时依靠“闰秒”机制进行动态调整的时间参考系。协调世界时也是现代国际协作与数字基础设施的底层支撑。
换言之,我们现在习以为常的“秒”的概念,其实是利用原子超精细跃迁频率计时获得的,更具体的解释就是“铯-133原子基态两个超精细能级跃迁辐射周期的9,192,631,770倍持续时间”。也正因如此,原子钟这种以原子在光学波段的超窄电子跃迁所确定的频率为标准的计时工具也自然而然地成为科学领域钟相对更为“准时”的“钟”。
然而这并非科学家追求的极限。事实上,很久之前就有科学家提出,“由于原子核比原子的电子壳小得多,如果使用核跃迁代替电子跃迁,或许可以得到比原子钟更不容易受到外界干扰的‘钟’”。而这便是原子核光学钟(核光钟)。
就在近日,我国科研团队在核光钟领域获得了重要的成果。
据悉,清华大学物理系丁世谦团队和合作者利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光和掺钍-229氟化钙晶体,将激光频率稳定地锁定至钍-229核跃迁,成功实现了核光钟的稳定运行。
根据相关报道,此次清华大学丁世谦团队在国际上率先研制出148纳米的连续波真空紫外激光,解决了精准驱动钍-229核跃迁的核心光源难题。同时在多方协同攻关下,在没有试错空间的条件下,仅使用1.4微克钍-229就一次性成功生长出毫米尺度的高质量掺钍氟化钙晶体。基于连续波148纳米真空紫外激光和掺钍-229的氟化钙晶体进一步开展了核跃迁精密
光谱测量,获得了高分辨率核跃迁吸收光谱,并实现了快速的吸收读出,从中选择出兼具窄线宽和弱温度敏感性的核跃迁谱线作为核钟的频率参考。
团队从核跃迁吸收信号中提取激光相对于核共振的频率偏差,并据此反馈修正激光频率,使激光频率持续稳定在钍-229核跃迁上。成功让钍-229原子核成为稳定激光频率的量子标准,实现了从测量核跃迁到用核跃迁计时的关键跨越。依托该晶体,并凭借此前开发的148纳米连续波激光的性能优势,实现了国际领先的核光钟性能。
针对该成果,清华大学物理系在相关报道中感谢了中国科学院上海光学精密机械研究所、上海硅酸盐研究所、上海应用物理研究所、北京大学、中国计量科学研究院等单位的协同合作和社会各界相关单位的鼎力支持。
目前相关成果以“锁定至钍-229的核钟”(A nuclear clock synchronized to Th-229)为题在线发表在《自然》杂志,感兴趣的读者可以自行查阅学习。
本文参考资料来源:清华大学