核钟，更进一步

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计时技术是现代社会的支柱，从我们日常使用的时钟和手表，到支撑手机、汽车GPS的系统，精确的时间测量无处不在。通信网络、电力系统和金融交易等关键领域，都依赖于高度精准的时间同步。

今年早些时候，物理学家在时间测量领域取得了一项重要突破：他们成功让嵌在晶体中的钍-229原子核像原子中的电子那样吸收和发射光子，在精确计时方面取得了长足的进步。（详见《核钟倒计时！！！》）然而，由于钍-229的稀缺性和放射性，使得高浓度的钍-229掺杂晶体的制造和应用面临诸多挑战。

在最近发表在《自然》杂志的一项研究中，研究人员通过创新的制造工艺显著减少了钍-229的用量，同时降低了放射性和成本。这一突破不仅有望使新一代核钟更加精准，还可能实现更小型、更便携的核钟设计，并为量子光学研究打开新大门。

  精确计时  

计时技术的演变贯穿了人类社会的发展历程。从新石器时代起，人们就已经懂得观察并利用天光来标记时光的轮转。在爱尔兰纽格莱奇遗迹的入口上方，有一个特殊的开口设计，能在一年中天光最短的日子，也就是12月21日冬至前后，将阳光引入通道深处的墓室。

到了公元前2000年左右，水钟成了最古老的计时工具之一。它通过调节流入或流出容器的水流巧妙地记录时间。到了13世纪晚期，机械钟的问世，为时间测量带来了革命性突破

进入现代社会，我们对计时精确度的要求越来越高。秒已经成为计时的核心单位。1967年之前，秒被定义为一天的1/86400（即24时×60分×60秒 = 86400）。

后来，国际单位制改变了这一定义，将秒和铯-133原子的跃迁频率联系在了一起：在一秒中，铯-133的电子的特定跃迁会发生9192631770次，这一频率值可以表述为9192631770赫兹（Hz），等同于9192631770秒⁻¹（s⁻¹）。

这个定义的核心就是跃迁频率。当原子中的电子吸收能量时，会跃迁到更高的能级，经过一段时间后又会释放能量回到低能态。类似于喝下一杯咖啡后，你突然短暂地获得了能量，直至咖啡因的作用消失。而跃迁频率就是指在特定时间段内预计发生跃迁的次数。这种频率可以用来定义并测量时间，也是制造高精度原子钟的基础。

目前，铯-133的跃迁频率提供了最精确的“秒”的定义。但是，科学家相信这一定义仍有改进的空间。

  测量更高频率  

简单来说，跃迁频率越高，单次的误读对总精度的影响就越小。可以这么理解，如果一种计时每秒发生50次跃迁，另一种每秒发生5000次。那么每错一次造成的准确性损失，前者就将是后者的100倍。

铯-133的跃迁频率位于电磁波谱中的微波范围，而微波频率低于可见光的频率。目前，科学家们正通过探索发生在原子核内的更高频率的核跃迁来提高计时精度。例如，有研究通过使用跃迁频率高于铯的锶元素（其跃迁频率处于可见光范围）成功进行了相关测量。类似的研究方向为开发超越原子钟的核钟技术开辟了新的道路。

然而，这项技术面临不小的挑战，因为对大多数原子而言，改变核的能态需要极高的能量，远超现有的技术水平。但在今年9月发表的论文中，科学家以空前的精确度，观测到了相对较低能的钍-229核跃迁，攻克了创建钍核钟的一项关键难题。

  进一步改进  

但这里还有个棘手的问题：掺杂钍-229的晶体非常少见，并且具有放射性。在最新的研究中，团队或许已经探索出了解决之道。

他们改变了制造方法，开发出一种由钍-229前体制成的薄膜。这种方法并不同于将纯钍原子嵌入氟基晶体中，而是用溶解在超纯水中的钍-229干硝酸盐母材料，注入坩埚。加入氟化氢后，就会产生几微克的钍-229沉淀，再从水中分离出来进行加热，直到它蒸发并不均匀地凝结在透明蓝宝石和氟化镁表面。

中间的深紫色圆圈是一个钍薄膜靶。（图/Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado）

研究人员用真空紫外线激光系统激发薄膜靶中的核跃迁，随后收集核发出的光子。这样一来，所有钍核都处于相同的局域原子环境中，感受到相同的电场。所有钍都有相同的激发能量，就能让时钟更稳定。

更重要的是，这种薄膜需要的钍-229要少得多，放射性和香蕉一样低。薄膜的制造也相对简单，生产规模易于扩展，这意味着它能降低成本，使核钟更便宜，进而得到更广泛的应用。

一份氟化钍薄膜样本。（图/ Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado）

研究人员表示，现有的原子钟通常有一间房那么大，需要真空室来捕获原子，还要相关的冷却设备。而未来的钍核钟装置的体积有望大幅缩小，变得更为便携，且与此同时还能提供更精确、更稳定的计时结果。

除了商业应用之外，高精度计时的出现还可以帮助科学家研究极快的过程，对时间和引力进行精确测量，验证与物质、能量以及空间和时间有关的基本定律。