超越原子鐘

從來回?cái)[動(dòng)的鐘擺到振動(dòng)的原子，所有時(shí)鐘都依賴可靠而周期性的物理過程來計(jì)時(shí)。原子鐘的“滴答”，由原子中電子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時(shí)所發(fā)射光子的頻率來定義。

盡管原子鐘已經(jīng)是目前世界上最精確的計(jì)時(shí)裝置，研究人員仍提出，如果改用原子核從激發(fā)態(tài)退激時(shí)所發(fā)射的光子來定義時(shí)間的“滴答”，在理論上就有可能構(gòu)建出精度超過原子鐘的計(jì)時(shí)裝置——這類裝置被稱為“核鐘”。

去年，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)長期以來被認(rèn)為極具挑戰(zhàn)性的突破：他們利用激光照射嵌入在特殊氟化物晶體中的放射性釷-229的原子核，使其能夠像原子中的電子一樣吸收并發(fā)射光子。

但問題也隨之而來：研究人員隨后發(fā)現(xiàn)，這種晶體不僅生長過程極為困難，制造成本十分高昂，對任何實(shí)際應(yīng)用都構(gòu)成了實(shí)質(zhì)性的限制，而且需要使用的釷最少也要1毫克——這對于目前全球可用于核鐘研究的釷-229總量僅約40克的情況下，是一個(gè)非常大的數(shù)字。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，研究團(tuán)隊(duì)找到了一種全新的方法，只需使用極少量的釷，就能實(shí)現(xiàn)與他們早期依賴特殊晶體時(shí)相同的效果。這為核鐘技術(shù)走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用打開了大門。

一層電鍍的薄膜

在最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)改為在一層微觀尺度的氧化釷薄膜中激發(fā)釷原子核。這種薄膜是通過在傳統(tǒng)珠寶電鍍工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行小幅改動(dòng)，將極微量的釷電鍍到不銹鋼表面而制成的。

電鍍技術(shù)發(fā)明于19世紀(jì)初，其原理是讓電流通過導(dǎo)電溶液，將一種金屬的原子沉積到另一種金屬表面，進(jìn)而形成一層薄膜。例如，在珠寶制作中，銀或金常被電鍍在較為廉價(jià)的金屬基底上。

研究人員感慨道，他們耗費(fèi)了大量時(shí)間來弄清楚如何生長氟化物晶體，而這次，卻通過借助最古老的工業(yè)技術(shù)之一，在釷的用量僅為之前的千分之一的情況下，獲得了同樣的效果。而且，他們最終制成的樣品在本質(zhì)上只是一小塊鋼材，其堅(jiān)固程度遠(yuǎn)勝于那些脆弱的晶體。

一個(gè)被推翻的假設(shè)

這一突破之所以得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，在于研究人員意識(shí)到，一個(gè)長期以來的基本假設(shè)實(shí)則是錯(cuò)誤的：長期以來，物理學(xué)家都認(rèn)為，要想激發(fā)并觀測核躍遷，釷必須嵌入一種對激發(fā)原子核的光透明的材料中。

一束激光（紫色箭頭）照射電沉積得到的釷薄膜（橙色），由此產(chǎn)生的電子（黃色箭頭）被探測器捕獲（出于藝術(shù)化表達(dá)，探測器正面被設(shè)計(jì)成時(shí)鐘的外觀）。（圖/Richard Elwell and Christian Schneider）

但在這項(xiàng)研究中，他們意識(shí)到這一假設(shè)根本不成立。事實(shí)證明，即便是在不透明材料中，仍然能夠讓足夠的光注入這些不透明材料表面，激發(fā)靠近表面的原子核。隨后，這些原子核不會(huì)像在晶體等透明材料中那樣發(fā)射光子，而是釋放電子——而電子只需通過監(jiān)測電流就能探測到！

換句話說，在這一過程中，釷原子核首先會(huì)從激光中吸收能量，隨后在幾微秒內(nèi)將這些能量轉(zhuǎn)移給附近的電子，從而可以直接通過電流的形式進(jìn)行測量。

一種可行的核鐘

這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)可行的釷核鐘鋪平了道路。在過去二十年里，對核鐘的研究一直聚焦于釷-229這一同位素。新研究所發(fā)展的方法有望降低未來對基于釷的核鐘的成本和復(fù)雜度，進(jìn)而可能推動(dòng)更緊湊、更高穩(wěn)定性的計(jì)時(shí)技術(shù)發(fā)展，并在多種航空航天應(yīng)用中發(fā)揮作用。

研究人員表示，釷核鐘甚至還可能徹底改變基于時(shí)鐘開展的基礎(chǔ)物理測量，例如對相對論的檢驗(yàn)。由于它們對環(huán)境擾動(dòng)具有天然的低敏感性，未來的釷核鐘還有望用于建立覆蓋整個(gè)太陽系的統(tǒng)一時(shí)間尺度，而這對于人類在其他行星上建立長期存在至關(guān)重要。

#參考來源：

https://newsroom.ucla.edu/releases/thorium-could-power-next-generation-atomic-clocks

https://www.manchester.ac.uk/about/news/the-worlds-most-precise-nuclear-clock-ticks-closer-to-reality/

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09776-4

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03732-y

#圖片來源：

封面圖&首圖：Richard Elwell and Christian Schneider