叶军院士团队登上《自然》封面：新型核钟为原子核基本力研究提供新见解
编辑日期：2024年09月07日
中国科学院外籍院士、物理学家叶军及其团队的原子钟项目再次荣登《自然》杂志封面！
具体来说，该团队开发了一种基于原子核中微小能量变化的时钟，其精度超过了目前世界上最先进的计时器——光钟，并且对外界干扰的敏感度更低。
《自然》杂志评价这一成果为“可能改变基础物理学研究”，并认为它可以为研究原子核中的基本力提供新见解。
这项研究比现有的原子钟更为精确！
当前许多超精确时钟都是基于原子的电子能级来计时的，例如锶-87原子钟。原子钟的测量精度极高，每经过大约150亿年才会产生一秒的误差。
而基于核能级的核钟则被视为原子钟的进阶版，叶军团队的研究正是围绕这一主题展开。
在实验中，叶军团队成功地利用真空紫外（VUV）频率梳直接激发钍-229核时钟的跃迁，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钍-229核跃迁，并实现了核时钟与原子钟之间的首次直接频率比较测量。
此外，他们还精确测量了钍-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。这些数据为暗物质的探索和研究开辟了新的方向。
叶军团队的这项研究还标志着核基固态光学钟的开端，为这种新型时钟的实际应用奠定了基础。
为了实现研究目标，叶军带领团队进行了多个实验步骤：
首先，他们使用掺镱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。
接下来，研究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。
随后，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，并通过直接激发钍-229的核跃迁，建立核时钟与原子钟之间的频率比测量。
在样品制备方面，团队使用掺有钍-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，他们成功激发了钍-229的核时钟跃迁，激发后样品内的钍-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钍-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，成功实现了钍-229核时钟与铷-87原子钟之间的直接频率比测量。
叶军现任美国科罗拉多大学博尔德分校教授，并且是美国国家标准与技术研究院（NIST）和科罗拉多大学共同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享有盛誉。他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年起，叶军便投身于光学原子钟的研究与开发，他所带领的团队研发的光学原子钟被公认为全球最精确的时钟之一，其测量精度已达到在150亿年内误差不超过一秒的水平。2007年，叶军及其研究团队成功研制了世界上首台“7000万年仅误差1秒”的锶原子光钟。
多年来，他的团队不断推动原子钟性能的提升。2017年，他们设计了一种新型原子钟，将锶原子置于微小的三维光晶格中。这种三维结构使原子密度比之前的一维光晶格设计提高了近1000倍。
如今，叶军的团队再次取得了新的突破，成功开发出一种新型的核钟。
未来，我们有理由相信这位“想理解宇宙的钟表匠”将会带来更多惊喜和突破。
归根结底：这是一个诚信问题
运动训练能恢复
紫外波段EQE达96%
下一步就是人类
