全球首款核時鐘已經啟動。物理學家團隊展示了一種工作中的計時設備，這種設備並不是由繞行電子調節的，如傳統原子時鐘，而是通過原子核內部的轉變來實現，這項成就經過數十年的努力。核時鐘與原子時鐘的區別在於，標準原子時鐘通過追蹤鈉或銣等原子中電子在能量狀態之間翻轉的頻率來測量時間。這些設備極為精確，大約每三億年僅會失去約 1 秒。核時鐘則運行於根本不同的原理：它利用的是原子核的能量轉變，而非其電子殼層。
涉及的特定核素是鈦-229，這種核素具有獨特的低能量核轉變——稱為同位素轉變——其能量範圍恰好落在紫外激光的範疇。大多數核轉變釋放的伽馬射線能量過高，無法通過激光進行控制，因此不適合用作計時。鈦-229 是非常罕見的例外：其基態與同位素態之間的能量差僅約 8.4 電子伏特，使研究人員能夠光學驅動該轉變。
核時鐘的技術原理及其潛在應用
在核時鐘中，激光被調整至匹配這一精確的轉變頻率。當原子核以該頻率吸收和重新發射光子時，這些振蕩便成為時鐘的滴答聲。由於原子核的尺寸比電子軌道小上千倍，因此其對外部電磁幹擾的敏感性大大降低——這一特性從理論上講，使核時鐘在長期穩定性上有可能超越原子時鐘。鈦-229 的利用之所以耗時如此之長，是因為核時鐘的概念最早在 1970 年代提出，但直到最近，鈦-229 同位素轉變的確切能量尚未以足夠的精度確定，以便用激光進行鎖定。
在過去十年中，一系列測量逐步縮小了不確定性。2024 年，科羅拉多大學博爾德分校與國家標準與技術研究所（NIST）聯合研究所的團隊準確地確定了轉變頻率，使得激光激發核素成為可能。目前的實驗證實，嵌入鈣氟化物晶體中的鈦-229 核素可以使用真空紫外光進行反復激發和探測。
鈣氟化物基質在所需波長下是透明的，並將核素保持在一個剛性晶格中，以最小化振動噪聲。時鐘信號來自許多核素同時的集體振蕩，這改善了測量統計。參與該工作的研究人員表示，目前的原型尚未比最好的光學原子時鐘更精確，但其架構現在已得到證明。在激光線寬和晶體質量的改進預期將進一步提高精度。核時鐘的吸引力超越了時間測量。由於原子核與弱和強基本力之間存在強烈的相互作用，鈦-229 時鐘對基本常數的變化非常敏感——例如精細結構常數和強力耦合——而電子基礎的時鐘則無法做到。
這使得該設備有潛力成為檢測超輕暗物質的工具。某些暗物質候選物理被認為會在地球穿過暗物質場時引起基本常數的微小週期性波動。隨著時間的推移，將核時鐘與光學原子時鐘進行比較可能揭示這些振蕩。
這一方法與當前用於檢測曾經認為難以測量的現象的粒子檢測器實驗和量子傳感器相輔相成。核時鐘還可以作為測試基本常數是否在宇宙時間尺度上漂移的試驗平台——這一問題直接關乎暗能量理論和宇宙演化的理論。
