（左）X 射线束照射后立即开启的 VUV 信号229Th 掺杂 CaF2晶体与照射时间。根据照射时间，VUV 信号达到饱和值的速度比预期的衰减半衰期快约 10 倍。（右）观察到的半衰期为 ~ 450 秒的异构体衰变信号的时间分布。这表明 X 射线照射期间异构体状态衰减得更快，表明猝灭。图片来源：日本冈山大学的 Takahiro Hiraki 助理教授 https://www.nature.com/articles/s41467-024-49631-0

科学家们使用原子钟来非常精确地测量“秒”，即最小的标准时间单位。这些时钟利用原子中电子的自然振荡，类似于老式老爷钟中钟摆的工作原理。对更精确计时器的追求导致了核钟的发现，它使用原子核而不是电子的跃迁来计时。

超精密核光钟开发的一个日益增长的竞争者是229Th 同位素。其半衰期长达 103秒和几电子伏特的低激发能量使其成为真空紫外 （VUV） 激光器激发的理想选择，为核钟提供精确的参考跃迁。

核钟还可用于紧凑型固态计量设备和基础物理学研究。探索229对于异构体，必须详细了解其基本性质，如异构体能量、半衰期以及激发和衰变的动力学。

朝着这个方向，日本冈山大学的助理教授 Takahiro Hiraki 和他的团队（包括 Akihiro Yoshimi 和 Koji Yoshimura）开发了一种实验装置来有效评估229Th 异构体状态并检测其辐射衰变。

在 2024 年 7 月 16 日发表在《自然通讯》上的研究中，他们综合了229Th掺杂 VUV 透明 CaF2晶体并展示了他们的控制能力229使用 X 射线的 Th 异构体状态种群。

“我们小组正在研究使用原子和激光的基础物理学。要使用229Th，必须控制原子核的激发和去激发状态。在这项研究中，我们成功地使用 X 射线控制了核态，使我们离构建核时钟又近了一步，“Hiraki 助理教授在解释他们研究背后的动机时说。

为了研究辐射衰减（去激发），该团队从229Th 原子核通过第二激发态，使用共振 X 射线束达到异构体状态。他们发现，掺杂229原子核经历了辐射衰变回基态，同时发射了 VUV 光子。

其中一个关键发现是当暴露于 X 射线束照射时异构体状态的快速衰减和“X 射线猝灭”效应，这允许按需减少异构体的数量。研究人员认为，这种受控淬灭可以推动核钟的发展，以及其他潜在应用，例如便携式重力传感器和更高精度的 GPS 系统。

Hiraki 助理教授强调了核光钟的潜力，他说：“当正在开发的核钟完成后，它将使我们能够测试以前被认为保持不变的'物理常数'，尤其是精细结构常数，是否会随时间变化。如果观察到物理常数的时间变化，可能会导致暗能量的阐明，这是宇宙中最大的奥秘之一。

更多信息：Takahiro Hiraki 等人，在 VUV 透明晶体中控制第 229 个异构体态种群，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-49631-0

期刊信息： Nature Communications