实验装置的结果证明了紧凑型便携式核钟的潜力

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科学家使用原子钟来精确测量“秒”，即最小的标准时间单位。这些时钟利用原子中电子的自然振荡，类似于老式落地钟中钟摆的工作原理。对更精确的计时器的追求导致了核钟的发现，核钟利用原子核的跃迁而不是电子的跃迁来计时。
229 Th 同位素的核第一激发态正成为超精密核光钟发展的有力竞争者。它的半衰期长达 10 3秒，激发能量低至几电子伏，非常适合真空紫外 (VUV) 激光激发，为核钟提供精确的参考跃迁。
核钟还可用于紧凑型固态计量装置和基础物理研究。要探索229 Th 同质异能体的潜在应用，必须详细了解其基本性质，如同质异能能、半衰期以及激发和衰变的动力学。
朝着这个方向努力，日本冈山大学助理教授 Takahiro Hiraki 和他的团队（包括 Akihiro Yoshimi 和 Koji Yoshimura）开发了一种实验装置，可以有效评估229 Th 同质异能态的数量并检测其辐射衰变。
他们在 2024 年 7 月 16 日发表在《自然通讯》上的研究中合成了229 Th 掺杂的 VUV 透明 CaF 2晶体，并展示了使用 X 射线控制229 Th 同质异能态群体的能力。
“我们小组正在研究使用原子和激光的基础物理学。要使用229 Th实现固态核钟，必须控制原子核的激发和去激发状态。在这项研究中，我们成功地使用 X 射线控制了核状态，使我们离建造核钟更近了一步，”助理教授 Hiraki 在解释他们研究背后的动机时说道。
为了研究辐射衰变（去激发），研究小组利用共振X射线束，将229 Th原子核从基态激发到异构体状态，即通过第二激发态。他们发现，掺杂的229 Th原子核经历了辐射衰变回到基态，同时发射出VUV光子。
一项重要发现是，当暴露于 X 射线束辐射时，同质异能态会迅速衰变，并产生“X 射线猝灭”效应，从而可以根据需要减少同质异能态的数量。研究人员认为，这种受控猝灭可以促进核钟的发展，以及其他潜在应用，如便携式重力传感器和更高精度的 GPS 系统。
平木助理教授强调核光钟的潜力，他说：“正在开发的核光钟完成后，我们将能够测试‘物理常数’，尤其是精细结构常数，这些常数以前被认为保持不变，是否会随时间而变化。如果观察到物理常数随时间的变化，则可能有助于阐明宇宙最大的谜团之一——暗能量。”