暗物質(zhì)是宇宙中最神秘的成分之一，它占據(jù)了宇宙物質(zhì)的大部分，但卻很難被直接探測到。目前，有許多理論模型試圖解釋暗物質(zhì)的本質(zhì)，其中一種可能性是暗物質(zhì)由超輕的玻色子組成。這些玻色子可以與普通物質(zhì)的某些性質(zhì)產(chǎn)生微弱的相互作用，例如電磁相互作用。如果暗物質(zhì)與光子有標量耦合，那么它會導(dǎo)致基本物理常數(shù)之一——精細結(jié)構(gòu)常數(shù)——隨時間或空間發(fā)生振蕩。

精細結(jié)構(gòu)常數(shù)是描述電磁相互作用強度的無量綱常數(shù)，它決定了原子和分子的能級結(jié)構(gòu)和躍遷頻率。因此，如果精細結(jié)構(gòu)常數(shù)發(fā)生變化，那么最先感知到的就是高精度的光原子鐘，它們可以測量不同原子或同種原子不同躍遷之間的頻率比。這些頻率比應(yīng)該是恒定不變的，除非有新的物理機制干擾了它們。

德國布倫瑞克的物理技術(shù)聯(lián)邦研究所（PTB）的一組科學家利用兩種光原子鐘進行了長期的頻率比測量，以尋找精細結(jié)構(gòu)常數(shù)振蕩的跡象。他們在最近發(fā)表在《物理評論快報》上的論文中報告了他們的結(jié)果，并給出了暗物質(zhì)與光子耦合強度的新限制。

他們使用的兩種光原子鐘分別是基于釔（Yb）單離子和鍶（Sr）原子晶格的鐘。釔單離子鐘利用了釔離子內(nèi)部的兩種電偶極（E2）躍遷和一種電八極（E3）躍遷，它們分別對應(yīng)于不同的頻率νE2和νE3。鍶原子晶格鐘利用了鍶原子內(nèi)部的一種電偶極躍遷，對應(yīng)于頻率νSr。這些躍遷都涉及到釔或鍶原子核外層的一個電子，因此它們都受到精細結(jié)構(gòu)常數(shù)α的影響。如果α發(fā)生變化，那么這些躍遷頻率也會隨之變化，從而導(dǎo)致頻率比νE3/νE2和νE3/νSr發(fā)生變化。

科學家們通過交替地 interrogating 兩種釔離子躍遷來測量第一個頻率比，并通過將釔單離子鐘與鍶原子晶格鐘進行比較來測量第二個頻率比。他們對這兩個頻率比進行了長達兩年多的連續(xù)測量，并用傅里葉變換分析了它們的振蕩模式。他們沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯的振蕩信號，這意味著精細結(jié)構(gòu)常數(shù)在測量期間保持穩(wěn)定，或者其變化幅度低于光原子鐘的靈敏度。

基于這一結(jié)果，科學家們給出了暗物質(zhì)與光子耦合強度的新限制，對于暗物質(zhì)質(zhì)量在10-23到10-18電子伏特（eV）范圍內(nèi)的超輕玻色子，他們的限制比以前的研究提高了一個數(shù)量級以上。他們還利用νE3/νE2的重復(fù)測量，改進了精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的線性漂移和其與引力的耦合的現(xiàn)有限制。

這項研究展示了光原子鐘在探索新物理現(xiàn)象方面的巨大潛力，它們不僅可以提供對基本常數(shù)的精確測量，還可以對暗物質(zhì)等難以察覺的宇宙成分進行敏感的探測。未來，隨著光原子鐘技術(shù)的進一步發(fā)展和多種原子鐘之間的比較，可能會揭示更多有關(guān)暗物質(zhì)性質(zhì)和行為的信息。