摘要：加州大学洛杉矶分校的物理学家们研制出了一种新型薄膜，它使用的稀有钍-229 数量少得多，而且放射性也显著降低，使其成为原子钟更安全、更实用的替代品。

加州大学洛杉矶分校的物理学家们研制出了一种新型薄膜，它使用的稀有钍-229 数量少得多，而且放射性也显著降低，使其成为原子钟更安全、更实用的替代品。

使用激光束激发的钍-229原子核的原子钟可以提供有史以来最精确的时间和重力测量，有可能重塑基础物理学。

传统的掺杂钍229的晶体既稀有又具有放射性，限制了它们的实用性。

新开发的薄膜由钍-229干燥前体制成，表现出与晶体相同的核激发，但具有显著的优势。

由于其成本较低、放射性较低、体积较小，更易于大规模生产，为更小、更实惠、便携性更高的原子钟铺平了道路。

释放钍-229的力量

今年夏天，加州大学洛杉矶分校的物理学家们取得了一项期待已久的突破：他们成功地让钍-229原子核嵌入透明晶体中，吸收和发射光子——就像原子的电子一样。这一成就证实了科学家们几十年来的猜测。通过使用激光激发原子核，研究人员可以开发出精度空前的原子钟，从而更精确地测量时间和重力。这样的进步甚至可能挑战物理学的一些基本原理。

然而，存在一个挑战——钍-229 掺杂晶体既稀有又具有放射性。为了解决这个问题，加州大学洛杉矶分校的化学家和物理学家团队在《自然》杂志上发表的一项研究中，开发了由钍-229 前体制成的薄膜。这些薄膜使用的钍-229 明显更少，辐射量与香蕉相当，因此更加安全、实用。

至关重要的是，他们证明了这些薄膜仍然能够实现核钟所需的激光驱动核激发。通过可扩展生产，这些薄膜不仅可以彻底改变原子钟，还可以实现量子光学领域的新应用。

钍薄膜的革命性制备方法

新方法不是将纯钍原子嵌入氟基晶体中，而是使用将钍-229 的干燥硝酸盐母体溶解在超纯水中，然后将其移入坩埚中。加入氟化氢会产生几微克的钍-229 沉淀物，将其与水分离并加热，直到其蒸发并均匀地凝结在透明蓝宝石和氟化镁表面上。

真空紫外激光系统的光线被导向目标，激发核状态（如加州大学洛杉矶分校早期研究报告所述），然后收集原子核随后发射的光子。

让时钟更稳定的关键

“使用母体材料——氟化钍的一个关键优势是，所有钍原子核都处于相同的局部原子环境中，并在原子核处经历相同的电场，”合著者、Charles W. Clifford Jr. 化学和生物化学教授、加州大学洛杉矶分校材料科学与工程教授 Anastassia Alexandrova 说道。“这使得所有钍都表现出相同的激发能，从而形成一个稳定且更准确的时钟。从这个意义上讲，这种材料是独一无二的。”

利用核振荡器重新定义时间

每个时钟的核心都是振荡器。时钟的工作原理是将时间定义为振荡器进行一定次数的振荡所需的时间。在落地钟中，一秒可以定义为钟摆来回摆动一次的时间；在手表的石英振荡器中，一秒通常定义为晶体振动约 32,0000 次。

在钍原子核钟中，一秒大约相当于原子核的 2,020,407,300,000,000 个激发和弛豫周期。如果滴答率稳定，这种较高的滴答率可以使时钟更精确；如果滴答率发生变化，时钟就会计时错误。本文描述的薄膜为原子核提供了一个稳定的环境，既易于构建，又有可能用于生产微加工设备。这可以使核钟得到广泛使用，因为它使它们更便宜、更容易生产。

更小、更精确的时钟之路

现有的基于电子的原子钟都是房间大小的装置，配有真空室来捕获原子和冷却设备。基于钍的核钟体积更小、更坚固、更便携、更精确。

揭开宇宙的奥秘

除了商业应用之外，新的核光谱技术还可以揭开宇宙中一些最大的谜团。对原子核进行灵敏测量开辟了一条了解原子核特性及其与能量和环境相互作用的新途径。这反过来又将让科学家检验他们关于物质、能量以及空间和时间定律的一些最基本的想法。

来源：小江的科学讲堂