核钟原型让激光频率稳定运行超过一天

精密时钟需要一个不易偏离的节律。维也纳和布伦瑞克的研究人员把激光频率不断与钍原子核的能量变化作比较，使激光自动修正偏差。他们的核钟原型在这种反馈控制下运行了超过24小时。其初期性能仍落后于最好的光学原子钟；缩小差距是未来的目标。

如今的光学原子钟把光的振荡调到原子核周围电子的能量变化，再数这些振荡。核钟改用原子核内部的能量变化作参照。钍-229是一种同位素，即原子核组成特定的钍；它的相关跃迁可由波长148纳米的紫外光触发，波长远短于可见光。一纳米是十亿分之一米。

Luca Toscani De Col、Thomas Riebner、Ira Morawetz及同事在室温下把钍-229嵌入毫米量级的氟化钙晶体。激光频率与原子核吸收的频率吻合时，便达到共振。研究人员测量吸收，发现激光何时偏离吻合点，并把信息反馈给激光进行调整。反馈就是反复测量偏差、反复校正，而不是只调一次。

简单来说，可以把它想成拿标准音给乐器调音。激光像会走调的音，原子核提供标准，吸收测量告诉系统该向哪边调整。装置并非直接从原子核读取秒数，而是把光锁定在核频率上，再以光的振荡作为计时基础。

在发表于《自然》（Nature）的论文中，研究人员把稳定后的频率与一台基于镱离子的钟比较。镱离子是带电的镱原子，在这里提供另一参照。分数不稳定度表示频率在指定测量时段内的相对波动。本次试验中，它大致按3 × 10⁻¹²除以观测秒数的平方根而下降，观测一天后接近10⁻¹⁵。这是所测时段内的稳定性，并不证明数百万年尺度上的绝对准确度。

维也纳工业大学（TU Wien）关于同一装置的机构通报没有注明个人撰稿人，并提到基础物理检验这一潜在用途。研究团队还在20秒至一天的周期范围内，寻找某些超轻暗物质模型预测的频率振荡。超轻暗物质是一类尚未被确认的假设性物质形式。这项分析限制了所检验模型的参数，但没有探测到暗物质。近期报道的其他核钟属于不同实验，并非本结果的一部分。

证据表明，核参照能持续引导激光超过一天。它并未创下精度纪录，也不是已经可用于导航或通信的设备。降低噪声并开展更长时间的频率比较，才能判断这种架构能否与最好的原子钟参照竞争，进而扩展对物理定律的检验。