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核钟可以超越原子钟作为最精确的钟表

阿峰 2021-6-6 14:252060 人围观 原作者: 艾米莉·康诺弗 来自: sciencenews

简介 :如果物理学家能够制造出核钟,那么核钟将是一种全新的时钟类型,它能够根据原子心脏的物理原理来保持时间。今天最精确的时钟,称为原子钟,依赖于原子电子的行为。但研究人员估计,一个基于原子核的时钟的精度可以达 ...

核钟可能是GOAT:所有钟表中最伟大的。

物理学家的目标是制造核钟,这是这位艺术家的解释所描绘的,它可以比原子钟更好地保持时间,原子钟是有史以来最精确的时钟。

物理学家彼得·蒂罗尔夫6月3日在美国物理学会原子、分子和光学物理分会的一次在线会议上说,更好的时钟可以改进依赖它们的技术,比如GPS导航。但是,"这不仅仅是计时的问题。与原子的电子不同,原子核受强核力的约束,这种核力将质子和中子聚集在一起。德国路德维希-马克西米利安大学明琴大学的蒂罗尔夫说:"核钟能看到世界的另一个部分。这意味着核时钟可以允许对物理学的基本思想进行新的测试,包括物理学中所谓的不可改变的数字(称为基本常数)是否实际上是恒定的。

  原子钟使用原子电子的能量跳跃计算时间。根据量子物理学,原子中的电子只能携带一定量的能量,在特定的能量水平。要将原子中的电子从一个能量水平撞到另一个能量水平,原子钟的原子必须用恰到好处的激光击中。这种频率——光电磁波的振荡速率——是一个高度精确的计时器。

  与原子中的电子一样,原子核中的质子和中子也占据离散能量水平。核时钟将基于这些核能水平之间的跳跃,而不是电子水平之间的跳跃。值得注意的是,原子核能够抵抗可能阻碍原子钟的杂散电场或磁场的影响。因此,德国弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学的理论物理学家阿德里亚娜·佩尔菲说,核钟"将更加稳定和精确"。

  但有一个问题。为了计算核原子的时间,科学家需要能够用激光在核能水平之间掀起跳跃。特拉华大学的理论物理学家玛丽安娜·萨夫罗诺娃在6月2日的一次会议上说:"通常激光无法访问核水平。对于大多数原子核来说,这需要比合适的激光所能达到的高能量光。幸运的是,在所有已知的核中都有一个孤独的例外,萨夫罗诺娃说,"一个自然怪胎的事情。一种叫做thorium-229的各种钛具有足够接近能量的能量水平,激光可能会引发跳跃。

  最近的测量更精确地指出了这种跳跃的能量,这是朝着建立钚核钟迈出的关键一步。Thirolf和他的同事通过测量原子核在两个水平之间跳跃时发射的电子来估算能量,正如2019年《自然》杂志报道的那样。物理学家安德烈亚斯·弗莱施曼及其同事在2020年《物理评论快报》上发表论文,测量了核细胞核可以产生的其他能量跳跃,并减去它们来推断核时钟跳跃的能量。

  一组高度敏感的探测器(如假彩色扫描电子显微镜图像所示)测量了当thorium-229原子在能量水平之间跳跃时发出的光的能量。这些测量结果使安德烈亚斯·弗莱施曼及其同事能够估计物理学家用来制造核钟的跳跃能量。

  马特乌斯·克兰茨

  团队同意,跳跃的能量刚刚超过8电子伏特。这种能量对应于紫外线,在这种范围内,用激光启动是可能的,但在科学家的能力的边缘。

  现在物理学家知道能量跳跃的大小,他们的目标是用激光触发它。会上,位于科罗拉多州博尔德市JILA研究所的物理学家张传坤报告说,他们努力使用频率梳(SN:10/5/18)来制造激光的离散频率,从而启动跳跃并更好地测量其能量。他在会上说:"如果成功的话,我们可以直接制造出一个基于核的光学钟。Thirolf的团队也正在处理频率梳,目标是在未来五年内建立一个工作核时钟。

  与此同时,Pölffy正在研究使用所谓的"电子桥"。Pölffy在会上报告说,激光不会使用激光直接启动原子核的能量跳跃,而是首先激发电子,然后将能量转移到原子核。

  核时钟可以让研究人员设计新的测试,以确定自然的基本常数是否随时间而变化。例如,一些研究表明,精细结构恒定,一个设置电磁相互作用强度的数字,可能会改变(SN:11/2/16)。悉尼新南威尔士大学的维克多·弗兰鲍姆在会上说:"这个核钟是一个完美的系统,用于寻找基本常数的变化。这些装置还可以测试爱因斯坦广义相对论的基础,即等价原理(SN:12/4/17)。或者,他们可以寻找暗物质,难以捉摸的未被发现的粒子,物理学家认为这些粒子占了宇宙的大部分物质,这可能会调整时钟的滴答声。

  他说,核钟的潜力是如此巨大,以至于对于德国海德堡大学的弗莱施曼来说,仅仅用了一瞬间就解决了科学家如何制造核钟的难题。这是"从第一秒清楚,这是一个问题,一个人应该工作。

  引文

  皮格·蒂罗尔夫揭开229-thorium等离子体的神秘面纱:朝向核钟。美国物理学会原子、分子和光学物理分会会议。2021年6月3日。

  萨夫罗诺娃使用原子和核时钟提出大局问题。美国物理学会原子、分子和光学物理分会会议。2021年6月2日。

  B. 塞弗勒等人。能源的229核时钟转换.自然。第573卷,2019年9月11日,第243页。多伊: 10.1038/s41586-019-1533-4.

  西科尔斯基等人。测量229带磁性微量度计的伊索默能量.物理评论信。第125卷,2020年10月2日,第142503页。多伊: 10.1103/菲斯雷夫莱特.125.142503.

  弗莱施曼用磁性微量表测量Th-229等位素能量。美国物理学会原子、分子和光学物理分会会议。2021年6月3日。

  张等人。朝直接 VUV 频率梳光谱的229米核国家.美国物理学会原子、分子和光学物理分会会议。2021年6月3日。

  帕尔菲电子桥的流程229米索索默.美国物理学会原子、分子和光学物理分会会议。2021年6月3日。

  五. 弗兰鲍姆。违反基本对称性的增强效应,基本常数的变化和暗物质场在thorium时钟。美国物理学会原子、分子和光学物理分会会议。2021年6月3日。

  关于艾米莉·康诺弗

  电子邮件唽物理学作家艾米莉·康诺弗拥有芝加哥大学物理学博士学位。她是两届D.C科学作家协会新闻简报奖得主。

原文链接:核钟可能比原子钟更精确,因为最精确的钟表|科学新闻 (sciencenews.org)

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