物理學家最近開發了一款基於釔（ytterbium）的高精度超敏感原子鐘，這款裝置有潛力測試標準模型的極限，甚至可以用來搜尋難以捉摸的暗物質。此項目由日本京都大學科學研究所的物理學博士石山太樹（Taiki Ishiyama）領導，利用了原子中一種罕見的軌道轉變，這種轉變長期以來被認為很有前景，但由於測量的難度，一直無法高精度地測量。研究團隊相信，他們的方法能夠進行對標準模型預測的最嚴格測試，該模型解釋了四種基本力中的三種：電磁力、強力和弱力。
這項研究的成果為新的物理實驗開辟了道路，並為量子科學的廣泛應用提供了機會，研究人員指出，這種鐘的轉變將會成為未來實驗的重要工具。原子鐘通過測量電子在原子內部兩個特定能級之間的跳躍來保持時間，最常見的是銫（caesium-133），它作為一個高度穩定的自然擺鐘。這些轉變發生在極為穩定的頻率上，使得原子鐘成為有史以來最準確的計時器。
最精確的原子鐘通過光學晶格捕獲原子，這是一種由交叉激光所形成的光暗交替的模式。它們以每秒數百兆次的光學頻率運行，某些原子鐘如鍶（strontium）光學晶格鐘的精度之高，預計在約 300 億年內的誤差不足一秒。然而，研究人員長期以來懷疑，利用釔原子中的一種罕見軌道轉變可以達到更高的靈敏度。該轉變發生在原子內深層的內殼電子之間。根據團隊的說法，這種轉變仍然能夠以與傳統時鐘轉變相同的精度進行測量和控制。
這種高敏感度使得原子鐘能夠檢測微妙的物理現象，例如暗物質或其他未知粒子的跡象。儘管在理論上，這種轉變非常適合探測標準模型的缺陷，但在實踐中要實現所需的精度仍然是個挑戰。石山表示，雖然我們的團隊在 2023 年首次觀察到這一轉變，隨後其他團隊也跟隨，但測量的解析度遠低於現代光學鐘的水平。
早期的實驗因為原子被捕獲時使用的激光干擾而導致測量精度不佳。為了解決這個挑戰，團隊採用了名為魔波長的技術，這種技術在三維光學晶格中捕獲釔原子。這樣，他們能夠消除捕獲光引起的原子能級的不必要變化。通過將這一技術與高度穩定的激發激光結合，團隊達到了 80 Hz 的狹窄光譜線寬，這是之前結果的約兩個數量級的改善。
這一系統的控制水平讓他們能夠進行一系列高精度的測量，包括觀察原子狀態之間的相干振盪和檢測跨軌道的 Feshbach 共振。此外，團隊進行了同位素位移測量，並追蹤了不同形式的釔原子之間轉變頻率的變化。這些位移的測量精度達到了十億分之一。石山指出，這是一個強大的工具，用於搜尋在標準模型之外介導電子和中子之間相互作用的新玻色子。
這項研究在某些假設下對這些可能的效應設置了嚴格的限制，並改進了原子和核行為的模型。研究還顯示，內殼轉變現在可以被非常精確地控制。這項工作為結合高測量準確性和高靈敏度於新物理現象的光學晶格鐘鋪平了道路。研究成果已發表在《自然光子學》（Nature Photonics）期刊上。
