“本来在睡觉的同事们半夜都醒了，看到消息之后他们迅速打车赶回实验室。大家看到信号后都非常兴奋。”对于最近作为封面故事发表在 Nature 的论文，张传坤至今难忘这一幕。
张传坤的导师是著名科学家叶军，美国科罗拉多大学博尔德分校教授和美国国家科学院院士。多年来，他和团队在原子分子光物理领域建树颇多，课题组也吸引了来自全球不同国家的博士生。
图 | 叶军（来源：资料图）
张传坤，便是该团队的一名在读博士生。此前，他本科毕业于清华大学。后来，他慕名来到叶军课题组。
图 | 叶军实验室的核钟团队（来源：Ye Labs，JILA，NIST and Univ. Colorado）
这几年来，叶军课题组的多项重要科研成果陆续发表在 Nature、Science 等杂志上。前不久，该课题组又添了一篇 Nature 论文，而上述“夜半信号”则是本次研究的成功标志。
据张传坤介绍，这项工作为搭建和改进基于原子核的新型时钟提供了明确的道路。这预示着核光学钟这一领域迎来了“黎明”，并有可能在基础物理学、量子物理学和精确测量技术等领域带来新的研究机会。
尽管目前他们更多关注于基础研究，但是本次成果也具备一定的应用前景。总的来说，基于核能级的时钟有望为精密计量和基础物理研究提供下一代平台。
原子核钟的特点在于更不容易受到外界环境变化的影响。因此相比传统的原子钟，它可能具有更高的稳定性。
这一特点也使得人们可以在固体体系中对原子核跃迁进行精密测量。固体的高密度使得人们可以对大量原子核同时进行测量，以获得更高的精密度。
此外，基于固体的原子核钟不需要复杂的激光冷却技术，因此有望比现有的原子钟更加便携。
全球定位系统和互联网数据传输都依赖于高精度的计时技术，因此便携式的小型化原子核时钟或能带来这些相关领域的技术革新。
（实验示意图，来源：Nature）
最精确的计时工具
原子钟，是目前世界上最精确的计时工具。人们可以通过激光精准操控原子中电子的跃迁，来实现对频率和时间的精确测量。
相比原子钟的电子跃迁能级，原子核的能量通常要高出很多。原子核跃迁对应的波段多为 X 光或伽马射线。在这些频段，人们目前还没有能精密测量和控制原子核跃迁的高度相干的光源。
在 20 世纪 70 年代，人们发现钍-229 元素存在一个非常低能量的激发态，对应于真空紫外光的波段。这个低能量激发态的寿命较长，因此，钍-229 原子核被认为非常适合用来建造核钟。
恰好叶军团队在这个波段的激光技术上已经积累了不少优势。早在 2005 年，该课题组就和德国马克思普朗克量子光学研究所分别独立搭建了基于飞秒光学谐振腔的真空紫外光学频率梳。
在 2012 年，该团队首次利用极紫外光学频率梳对惰性气体中的电子跃迁进行了精密的频率测量。
基于此，叶军团队的张传坤等人对现有激光器进行了重新设计，以便精确地激发和探测钍 229 的原子核激发态，为打造基于原子核的新型时钟提供基础。
原子核从激发态到基态的衰变有不同的路径。在有些情况下，衰变的能量会以一个光子的形式发射出来。
本次研究中，他们重点探索了这种光子发射过程。据张传坤介绍，有时能量可能会直接转移给核中的一个电子，从而使该电子获得动能。
在一开始，他和同事主要研究这种能量转移给电子的过程，所以当时所使用的样品和最终使用的有样品所不同。
他们在这项电子转换样品的制备上投入了大量精力。然而在这项实验中，他们暂时没能取得预期的成果。
2023 年，欧洲核子研究中心的研究人员通过加速器产生了钍原子的激发态，并成功观测到了光子发射的现象。
自那以后，叶军团队的研究也开始转向利用光子荧光手段来探测原子核的激发态。
此外，他们还与来自奥地利和德国的研究人员开展合作。其中，奥地利维也纳工业大学托尔斯滕·舒曼（Thorsten Schumm）实验室的合作者向他们提供了高浓度的掺杂钍-229 的氟化钙晶体样品。IMRA America 公司的研究人员协助叶军团队搭建了实验中用到的高功率光纤光梳。
通过多方的合作，叶军团队得以将这一新型激光系统与晶体样品结合，最终顺利完成了这项研究。
夜半信号，引得同事凌晨打车返回实验室
张传坤表示，自己至今记得观察到跃迁的信号时的那个晚上。
一周多之前，他和同事刚刚收到从奥地利邮寄过来的样品后，立即将它放入真空箱中，经过几天的调试和处理后便开始了实验。“那天是 5 月 22 号，我记得非常清楚。”张传坤说。
当他们调试好激光设备时，由于激光器的预热和调试需要一定的时间，所以他们在当天下午才正式开始采集数据。
考虑到数据采集周期较长，可能需要几十个小时，四位负责这项课题的同事决定分两班倒，以确保在激光器调试好的情况下多采集一些数据。
张传坤当时负责夜班，负责值白班的同事们在休息。大约在晚上 23:30 左右，他在监控屏幕上看到了原子核跃迁的信号。
看到这个信号时，他既激动又紧张。紧张是因为在过去的实验中，由于时序问题或设备连接不当，有时也会出现虚假信号。
不过，张传坤还是在 WhatsApp 工作群里发了这条信息，告诉大家看到了一个和跃迁信号十分相似的现象，但是但还不确定是否真实。
于是便有了文章开头的那一幕，同事半夜起来打车来到实验室，他们一起继续排查了所有可能的误差源，通过开展不同的测试确认了信号的真实性。
第二天，正好张传坤和同事要和导师叶军开组会，尽管他们几乎从晚上忙到凌晨，但还是准备了一份详细的 PPT 向叶军汇报。当张传坤在组会上汇报了这一发现时，叶军也非常激动。
最终，相关论文以《229mTh 核同质异能跃迁与 87 Sr 原子钟的频率比》（Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock）为题发在 Nature[1]。
张传坤是第一作者兼共同通讯，叶军担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature）
总的来说，本次成果标志着基于核的固态光学钟的开端。这项工作中展示的核钟和原子钟的频率对比将给未来的基础物理研究提供一个新的平台。
这项工作代表着精密计量学、超快强场物理学、核物理学和基础物理学的融合。
目前，原子核光谱学的精度，仍然受限于激光自身的线宽。由于激光的线宽限制了测量精度，因此课题组打算进一步压缩激光的线宽，从而提高整体测量精度。
另外，他们在氟化钙晶体中观察到了钍的跃迁现象。接下来，他们还想探索其他参数对这一现象的影响。例如，探索温度的变化会如何影响跃迁。
同时，不同晶体对跃迁的影响也是他们感兴趣的课。因此，他们计划与美国加州大学洛杉矶分校的研究人员合作，在其他晶体体系中进行进一步研究。
此外，当前的激发态读取主要依靠荧光，这个过程相对较慢。他们正在研究如何更快速地读取激发态数据，以缩短测量周期，提高实验效率。
在样品制备方面，早期他们自己制备了用于探测电子激发的样品。近期，他们与加州大学洛杉矶分校的合作者一起在 arXiv 上公布了一份预印本，介绍了采用类似技术制备的用于荧光探测的样品，并验证了所制备样品在特定条件下的表现。
参考资料：
1.Zhang, C., Ooi, T., Higgins, J.S.et al. Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock. Nature 633, 63–70 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6
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