“本來在睡覺的同僚們半夜都醒了，看到消息之後他們迅速打車趕回實驗室。大家看到信号後都非常興奮。”對于最近作為封面故事發表在 Nature 的論文，張傳坤至今難忘這一幕。
張傳坤的導師是著名科學家葉軍，美國科羅拉多大學博爾德分校教授和美國國家科學院院士。多年來，他和團隊在原子分子光實體領域建樹頗多，課題組也吸引了來自全球不同國家的博士生。
圖 | 葉軍（來源：資料圖）
張傳坤，便是該團隊的一名在讀博士生。此前，他大學畢業于清華大學。後來，他慕名來到葉軍課題組。
圖 | 葉軍實驗室的核鐘團隊（來源：Ye Labs，JILA，NIST and Univ. Colorado）
這幾年來，葉軍課題組的多項重要科研成果陸續發表在 Nature、Science 等雜志上。前不久，該課題組又添了一篇 Nature 論文，而上述“夜半信号”則是本次研究的成功标志。
據張傳坤介紹，這項工作為搭建和改進基于原子核的新型時鐘提供了明确的道路。這預示着核光學鐘這一領域迎來了“黎明”，并有可能在基礎實體學、量子實體學和精确測量技術等領域帶來新的研究機會。
盡管目前他們更多關注于基礎研究，但是本次成果也具備一定的應用前景。總的來說，基于核能級的時鐘有望為精密計量和基礎實體研究提供下一代平台。
原子核鐘的特點在于更不容易受到外界環境變化的影響。是以相比傳統的原子鐘，它可能具有更高的穩定性。
這一特點也使得人們可以在固體體系中對原子核躍遷進行精密測量。固體的高密度使得人們可以對大量原子核同時進行測量，以獲得更高的精密度。
此外，基于固體的原子核鐘不需要複雜的雷射冷卻技術，是以有望比現有的原子鐘更加便攜。
全球定位系統和網際網路資料傳輸都依賴于高精度的計時技術，是以便攜式的小型化原子核時鐘或能帶來這些相關領域的技術革新。
（實驗示意圖，來源：Nature）
最精确的計時工具
原子鐘，是目前世界上最精确的計時工具。人們可以通過雷射精準操控原子中電子的躍遷，來實作對頻率和時間的精确測量。
相比原子鐘的電子躍遷能級，原子核的能量通常要高出很多。原子核躍遷對應的波段多為 X 光或伽馬射線。在這些頻段，人們目前還沒有能精密測量和控制原子核躍遷的高度相幹的光源。
在 20 世紀 70 年代，人們發現钍-229 元素存在一個非常低能量的激發态，對應于真空紫外光的波段。這個低能量激發态的壽命較長，是以，钍-229 原子核被認為非常适合用來建造核鐘。
恰好葉軍團隊在這個波段的雷射技術上已經積累了不少優勢。早在 2005 年，該課題組就和德國馬克思普朗克量子光學研究所分别獨立搭建了基于飛秒光學諧振腔的真空紫外光學頻率梳。
在 2012 年，該團隊首次利用極紫外光學頻率梳對惰性氣體中的電子躍遷進行了精密的頻率測量。
基于此，葉軍團隊的張傳坤等人對現有雷射器進行了重新設計，以便精确地激發和探測钍 229 的原子核激發态，為打造基于原子核的新型時鐘提供基礎。
原子核從激發态到基态的衰變有不同的路徑。在有些情況下，衰變的能量會以一個光子的形式發射出來。
本次研究中，他們重點探索了這種光子發射過程。據張傳坤介紹，有時能量可能會直接轉移給核中的一個電子，進而使該電子獲得動能。
在一開始，他和同僚主要研究這種能量轉移給電子的過程，是以當時所使用的樣品和最終使用的有樣品所不同。
他們在這項電子轉換樣品的制備上投入了大量精力。然而在這項實驗中，他們暫時沒能取得預期的成果。
2023 年，歐洲核子研究中心的研究人員通過加速器産生了钍原子的激發态，并成功觀測到了光子發射的現象。
自那以後，葉軍團隊的研究也開始轉向利用光子熒光手段來探測原子核的激發态。
此外，他們還與來自奧地利和德國的研究人員開展合作。其中，奧地利維也納工業大學托爾斯滕·舒曼（Thorsten Schumm）實驗室的合作者向他們提供了高濃度的摻雜钍-229 的氟化鈣晶體樣品。IMRA America 公司的研究人員協助葉軍團隊搭建了實驗中用到的高功率光纖光梳。
通過多方的合作，葉軍團隊得以将這一新型雷射系統與晶體樣品結合，最終順利完成了這項研究。
夜半信号，引得同僚淩晨打車傳回實驗室
張傳坤表示，自己至今記得觀察到躍遷的信号時的那個晚上。
一周多之前，他和同僚剛剛收到從奧地利郵寄過來的樣品後，立即将它放入真空箱中，經過幾天的調試和處理後便開始了實驗。“那天是 5 月 22 号，我記得非常清楚。”張傳坤說。
當他們調試好雷射裝置時，由于雷射器的預熱和調試需要一定的時間，是以他們在當天下午才正式開始采集資料。
考慮到資料采集周期較長，可能需要幾十個小時，四位負責這項課題的同僚決定分兩班倒，以確定在雷射器調試好的情況下多采集一些資料。
張傳坤當時負責夜班，負責值白班的同僚們在休息。大約在晚上 23:30 左右，他在監控螢幕上看到了原子核躍遷的信号。
看到這個信号時，他既激動又緊張。緊張是因為在過去的實驗中，由于時序問題或裝置連接配接不當，有時也會出現虛假信号。
不過，張傳坤還是在 WhatsApp 工作群裡發了這條資訊，告訴大家看到了一個和躍遷信号十分相似的現象，但是但還不确定是否真實。
于是便有了文章開頭的那一幕，同僚半夜起來打車來到實驗室，他們一起繼續排查了所有可能的誤差源，通過開展不同的測試确認了信号的真實性。
第二天，正好張傳坤和同僚要和導師葉軍開組會，盡管他們幾乎從晚上忙到淩晨，但還是準備了一份詳細的 PPT 向葉軍彙報。當張傳坤在組會上彙報了這一發現時，葉軍也非常激動。
最終，相關論文以《229mTh 核同質異能躍遷與 87 Sr 原子鐘的頻率比》（Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock）為題發在 Nature[1]。
張傳坤是第一作者兼共同通訊，葉軍擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
總的來說，本次成果标志着基于核的固态光學鐘的開端。這項工作中展示的核鐘和原子鐘的頻率對比将給未來的基礎實體研究提供一個新的平台。
這項工作代表着精密計量學、超快強場實體學、核實體學和基礎實體學的融合。
目前，原子核光譜學的精度，仍然受限于雷射自身的線寬。由于雷射的線寬限制了測量精度，是以課題組打算進一步壓縮雷射的線寬，進而提高整體測量精度。
另外，他們在氟化鈣晶體中觀察到了钍的躍遷現象。接下來，他們還想探索其他參數對這一現象的影響。例如，探索溫度的變化會如何影響躍遷。
同時，不同晶體對躍遷的影響也是他們感興趣的課。是以，他們計劃與美國加州大學洛杉矶分校的研究人員合作，在其他晶體體系中進行進一步研究。
此外，目前的激發态讀取主要依靠熒光，這個過程相對較慢。他們正在研究如何更快速地讀取激發态資料，以縮短測量周期，提高實驗效率。
在樣品制備方面，早期他們自己制備了用于探測電子激發的樣品。近期，他們與加州大學洛杉矶分校的合作者一起在 arXiv 上公布了一份預印本，介紹了采用類似技術制備的用于熒光探測的樣品，并驗證了所制備樣品在特定條件下的表現。
參考資料：
1.Zhang, C., Ooi, T., Higgins, J.S.et al. Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock. Nature 633, 63–70 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6
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