叶军院士团队Nature发表突破性成果：铀-229原子核钟为基本力研究开辟新途径

中国科学院外籍院士、物理学家叶军团队近期在《自然》杂志上发表了他们的最新研究成果，这项研究从投稿到接收仅用了27天的时间。叶军团队开发了一种基于原子核能量变化的新型时钟，其精确度超越了现有的光钟，并且对外界干扰具有更高的稳定性。这一成果被认为有可能改变基础物理学的研究方向，为原子核中的基本力提供新的见解。

当前许多超精确时钟都依赖于原子的电子能级来计时，例如锶-87原子钟。这类时钟的测量精度极高，每150亿年才会有大约一秒钟的误差。相比之下，基于核能级的核钟被认为是更为先进的版本。叶军团队的研究重点就是这种新型核钟。在实验中，他们成功地利用真空紫外（VUV）频率梳直接激发铀-229核时钟的跃迁，并将其与铷-87原子钟建立了直接的频率联系。这是首次通过激光直接激发铀-229核跃迁，也是核时钟与原子钟之间首次实现直接频率比测量。

此外，研究团队还精确测量了铀-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。这些数据为暗物质的探索和研究提供了新的方向。叶军团队的研究不仅标志着核基固态光学钟的开端，也为实际应用奠定了基础。

为了实现这一目标，叶军团队进行了多项实验步骤。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。然后，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。接下来，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。

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。

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。他在原子钟和量子多体物理学领域享有盛誉。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，叶军一直致力于光学原子钟的研发，其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，测量精度达到了每150亿年误差不到一秒的水平。2007年，叶军及其团队制造了世界上首台“每7000万年仅误差1秒”的锶原子光钟。此后，他带领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，使原子密度提高了近1000倍。如今，叶军团队在核钟领域的突破性进展，让人们更加期待他在未来带来的更多惊喜和突破。

本文来源： 量子位【阅读原文】