历经数十年，难以捉摸的“核时钟”有望实现
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据《自然》报道，物理学家正日益接近制造出人们寻觅已久的“核钟”。这种设备将通过测量原子核内的能级跃迁来计时，有望成为地球上最精准的时钟。
研究人员正致力于建造世界上第一台核钟。 这是一张真空腔内部的图像，腔内装有掺入钍-229同位素的晶体，这些晶体可通过激光激发。图片来源：Ye Labs/JILA/NIST/科罗拉多大学
数十年前，科学家就预测钍-229同位素可用于此类时钟，但当时未能确定其特殊的核能跃迁特性。2024年，科学家借助激光实现了这一成就，由此拉开了核钟研发的序幕。
“这种时钟的实现比人们想象的要快得多。”正参与研发工作的美国加利福尼亚大学洛杉矶分校物理学家Eric Hudson森表示，“我确信，2026年大家就能看到核钟的测量结果。”
来自中国、欧洲、日本和美国的近十支研究团队正在共同努力，试图完成此类时钟的组件组装，其中包括放射性钍-229源及用于激发能级跃迁的连续波紫外激光器。近日，在科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会（APS）全球物理峰会上，研究人员汇报了最新的进展，包括激光器研发的细节。
出席峰会的加利福尼亚大学伯克利分校量子科学项目执行主任Claire Cramer对固态核钟的潜力表示乐观：“这确实是一项极具前景的技术。”
核钟能够抵御噪声干扰，且设计紧凑，便于在实验室之外使用。它们甚至可能超越光学原子钟的精度——作为目前精度最高的计时器，光学原子钟每400亿年才误差一秒。
无论是怀表中的计时装置，还是物理实验室中的计时设备，其核心原理都是对快速且规律的事件进行计数。在光学原子钟中，这些事件表现为原子中电子在基态与激发态之间的跃迁。波长在350至750纳米范围内的激光，即电磁波谱中的可见光或光学部分，会激发这一跃迁过程，其“滴答”频率可达到每秒数万亿次。
相比之下，核钟则会统计钍-229不同核能级之间的跃迁。这些能级具有相同的质子数和中子数，但能量各不相同，这取决于粒子在原子核内被压缩的紧密程度。
半个世纪以来，钍-229跃迁的精确能量一直未确定。几年前，几个独立的研究小组开始逐步接近答案。2024年，现任职加州理工学院的物理学家张传坤和美国天体物理联合实验室的物理学家叶军团队利用频率梳—— 一种拥有约3000万个频率、可同时照射晶体的激光器，以超高精度确定了这种跃迁。然而，要在实际运行的核钟中实现这一跃迁，科学家还需要一台波长约148纳米、强大且稳定的紫外线连续波激光器。
清华大学的一个研究小组在构建这种激光器方面取得了显著进展。上个月，该团队在《自然》发表报告称，他们已在148.4纳米波长下实现了100纳瓦的输出功率。在美国物理学会的会议上，一些与会者对该激光器的长期前景表示了疑虑，因为它需要将有毒的镉蒸气加热到550摄氏度。
另一种方法是利用特殊晶体将光学激光的波长转换为148纳米。叶军表示，使用某种特定晶体进行的初步测试已获得了近40微瓦的稳定功率。他并未透露该材料的具体名称，仅称其“极具潜力”。但他的团队与美国激光器制造商IPG Photonics开展了合作，后者已就一种生长特殊四硼酸锶晶体的方法申请了专利。
研究人员正在追寻的另一种核钟关键组件是稳定的钍-229源。目前有两种通用的解决方案：在固体晶体中使用数万亿个钍-229离子，或在离子阱中仅使用少量钍-229离子。
由于使用了大量钍-229离子，晶体方案能提供更强的时钟信号，但其存在稳定性方面的限制。稳定的核钟要求核跃迁具有窄线宽，也就是说，其信号必须具有较窄的频率范围。叶军团队利用掺入钍-229离子的氟化钙晶体目前已获得30千赫兹的信号，但这对稳定的核钟而言还是太宽。
目前尚不清楚导致线宽过大的具体原因，但与会研究人员怀疑是氟化钙中的杂质所致。一些研究人员正在研究其他类型的晶体，包括更易制备且杂质更少的晶体薄膜。Hudson尤为看好四氟化钍以及氧化钍。
即便如此，使用晶体作为钍-229的来源可能仍无法为核钟提供足够的精度，因为晶体会自然地扩大信号的线宽。这就是为什么研究人员还在探索离子阱技术，即钍-229离子被冷却并悬浮在低至微开尔文的超低温环境中。
“如果想要实现真正的高精度，那就得做‘离子阱’实验。”叶军说。迄今还没有人成功实现钍-229的离子阱实验，但与会研究人员表示，这只是时间问题。
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