据《天然》报导，物理学家正日趋靠近制造出人们寻找已经久的“核钟”。这类装备将经由过程丈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。
研究职员正致力在制作世界上第一台核钟。 这是一张真空腔内部的图象，腔内装有掺入钍-229同位素的晶体，这些晶体可经由过程激光引发。图片来历：Ye Labs/JILA/NIST/科罗拉多年夜学 数十年前，科学家就猜测钍-229同位素可用在此类时钟，但其时未能确定其非凡的核能跃迁特征。2024年，科学家借助激光实现了这一成绩，由此拉开了核钟研发的序幕。
“这类时钟的实现比人们想象的要快患上多。”正介入研发事情的美国加利福尼亚年夜学洛杉矶分校物理学家Eric Hudson森暗示，“我确信，2026年各人就能看到核钟的丈量成果。”
来自中国、欧洲、日本及美国的近十支研究团队正于配合努力，试图完成此类时钟的组件组装，此中包括放射性钍-229源和用在引发能级跃迁的持续波紫外激光器。近日，于科罗拉多州丹佛市进行的美国物理学会（APS）全世界物理峰会上，研究职员报告请示了最新的进展，包括激光器研发的细节。
出席峰会的加利福尼亚年夜学伯克利分校量子科学项目履行主任Claire Cramer对于固态核钟的潜力暗示乐不雅：“这确凿是一项极具远景的技能。”
核钟可以或许抵御噪声滋扰，且设计紧凑，便在于试验室以外利用。它们甚至可能逾越光学原子钟的精度——作为今朝精度最高的计时器，光学原子钟每一400亿年才偏差一秒。
不管是怀表中的计时装配，还有是物理试验室中的计时装备，其焦点道理都是对于快速且纪律的事务举行计数。于光学原子钟中，这些事务体现为原子中电子于基态与引发态之间的跃迁。波长于350至750纳米规模内的激光，即电磁波谱中的可见光或者光学部门，会引发这一跃迁历程，其“滴答”频率可到达每一秒数万亿次。
比拟之下，核钟则会统计钍-229差别核能级之间的跃迁。这些能级具备不异的质子数及中子数，但能量各不不异，这取决在粒子于原子核内被压缩的慎密水平。
半个世纪以来，钍-229跃迁的切确能量一直未确定。几年前，几个自力的研究小组最先慢慢靠近谜底。2024年，现任职加州理工学院的物理学家张传坤及美国天体物理结合试验室的物理学家叶军团队使用频率梳—— 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类跃迁。然而，要于现实运行的核钟中实现这一跃迁，科学家还有需要一台波长约148纳米、强盛且不变的紫外线持续波激光器。
清华年夜学的一个研究小组于构建这类激光器方面取患了显著进展。上个月，该团队于《天然》发表陈诉称，他们已经于148.4纳米波长下实现了100纳瓦的输出功率。于美国物理学会的集会上，一些预会者对于该激光器的持久远景暗示了疑虑，由于它需要将有毒的镉蒸气加热到550摄氏度。
另外一种要领是使用非凡晶体将光学激光的波长转换为148纳米。叶军暗示，利用某种特定晶体举行的开端测试已经得到了近40微瓦的不变功率。他并未吐露该质料的详细名称，仅称其“极具潜力”。但他的团队与美国激光器制造商IPG Photonics开展了互助，后者已经就一种生长非凡四硼酸锶晶体的要领申请了专利。
研究职员正于追寻的另外一种核钟要害组件是不变的钍-229源。今朝有两种通用的解决方案：于固体晶体中利用数万亿个钍-229离子，或者于离子阱中仅利用极少量钍-229离子。
因为利用了年夜量钍-229离子，晶体方案能提供更强的时钟旌旗灯号，但其存于不变性方面的限定。不变的核钟要求核跃迁具备窄线宽，也就是说，其旌旗灯号必需具备较窄的频率规模。叶军团队使用掺入钍-229离子的氟化钙晶体今朝已经得到30千赫兹的旌旗灯号，但这对于不变的核钟而言还有是太宽。
今朝尚不清晰致使线宽过年夜的详细缘故原由，但预会研究职员思疑是氟化钙中的杂质而至。一些研究职员正于研究其他类型的晶体，包括更容易制备且杂质更少的晶体薄膜。Hudson尤为看好四氟化钍以和氧化钍。
即便云云，利用晶体作为钍-229的来历可能仍没法为核钟提供充足的精度，由于晶领会天然地扩展旌旗灯号的线宽。这就是为何研究职员还有于摸索离子阱技能，即钍-229离子被冷却并悬浮于低至微开尔文的超低温情况中。
“假如想要实现真实的高精度，那就患上做‘离子阱’试验。”叶军说。迄今还有没有人乐成实现钍-229的离子阱试验，但预会研究职员暗示，这只是时间问题。
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