原子核光学钟

Original 周书华编译中国物理学会期刊网

本文选自《物理》2020年第12期

(中国原子能科学研究院周书华编译自Lars von der Wense. Physics, September 28, 2020)

钍同位素核跃迁的高精度测量是开发核光学钟的关键一步

现今最精确的钟，以原子在光学波段的超窄电子跃迁所确定的频率为标准。光学原子钟的精度为10¹⁸分之一，也就是说，这些钟在宇宙年龄那么长的时间内只会差1秒。原则上，更精确的钟可以使用核跃迁代替电子跃迁。由于原子核比原子的电子壳小得多，这样的“核光学钟”预计对外界的扰动更不敏感。

多年以前，研究人员在钍的同位素²²⁹Th中发现了适用于核光学钟的核跃迁。但直到最近，该跃迁频率确定的还不够精确，不能用窄带激光直接激发，不满足光学钟运行的先决条件。德国海德堡大学的 Tomas Sikorsky 及其同事报道了²²⁹Th跃迁的高精度测量，显著缩短了跃迁谱的范围。这一结果为基于激光谱学更精确的测量铺平了道路。对于精确跃迁频率的测定将使核光学钟成为可能。

自从1960年发明激光以来，原子电子壳层的激光谱学已发展为成熟的技术，并用于包括光学原子钟在内的许多方面。相反，核跃迁的激光谱学却很不成熟。原因很简单：通常核激发态的跃迁需要keV到MeV范围的能量，这是当今激光技术无法达到的。²²⁹Th的跃迁是仅知的例外，其基态与第一个亚稳激发态^229mTh之间的能量差非常小，以前报道的值在3.5—8.3 eV之间。与这些能量相对应波长的激光原则上是可用的。但是，由于对跃迁频率知道的不够精确，不清楚哪种激光技术最合适。用窄带激光找到精确的跃迁频率将需要极长时间的扫描和使用多种激光器。

几十年来，^229mTh能量的精确测定一直是十分困难的课题。由于高精度激光谱学不适用，只能依靠与跃迁频率间接相关的观察量。基于对^229mTh核衰变中发射的γ射线测量的研究，初步估计跃迁能为 3.5 eV。从γ辐射导出的更精确的值，使得测量到的跃迁能改变为 7.6 eV 和 7.8 eV 左右。2019年使用不同技术得到另外3个值，都趋向略高的跃迁能量。

Sikorsky 及其同事通过略微不同的步骤导出了4个新的跃迁能量值，与2009年 B. R. Beck 等, 2019年 B. Seiferle 等及2019年 A. Yamaguchi 等发表的4组值彼此符合的相当好。用不确定度加权的平均值为 8.12 ± 0.11 eV。

为获得^229mTh，Sikorsky等采用基于 233U 的 α 衰变技术。这种衰变生成包括^229mTh在内的²²⁹Th不同态，伴随有多条γ射线谱线。每一条γ谱线对应于特定的²²⁹Th核能级之间的跃迁。通过扣除所测到的适当γ谱线可以推断出^229mTh的能量。

这种方法与早期的一些工作相同，但是由于γ射线探测的分辨率更高，新的测量精度有很大改进。Sikorsky基于磁微量热器开发了一种γ谱仪。在这种高灵敏探测器中，因吸收γ光子引起的温度升高转换成磁化的降低。这种探测器在γ射线能量为 30 keV 处的分辨小于 10 eV，比以前所用探测器的分辨高3倍。重要的是，通过仔细测量每一条γ谱线的形状，确定谱线中心的精度可以比谱线半峰全宽的分辨率更高。

计入谱的分辨和所有可能的误差来源，Sikorsky导出4个最精确值的平均值为 8.10 eV，不确定度为 0.17 eV，此结果与之前的最好值， 8.12 ± 0.17 eV 一致。新的结果有重要的优点。Sikorsky等的分析表明，结果的精度因统计所限，而非为系统误差所限。因此，对于进行长期实验，该方法具有进一步降低不确定度的可能。