研究人员正致力于建造世界上第一台核时钟。 这是一张真空腔内部的图像，装有掺入钍-229同位素的晶体，可被激光激发。图片来源：美国科罗拉多大学

本报讯 物理学家正日益接近创造出人们期待已久的“核时钟”。这种设备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。在近日举行的美国物理学会（APS）全球物理峰会上，研究人员汇报了核时钟的最新进展。

几十年前，科学家预测钍-229同位素可用于这样的时钟，但当时无法确定其特殊的核能转换特征。2024年，他们借助激光实现了这一点，由此开启了核时钟研发的倒计时。

“这种时钟比人们想象的要近得多。”正在参与研发的美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的Eric Hudson表示，“我确信，2026年大家就能看到核时钟的测量结果。”

据《自然》报道，来自中国、欧洲、日本和美国的十多个研究团队正在为此而努力，包括研制具有放射性的钍-229源，以及用于激发能级跃迁的连续波紫外激光器。

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对固态核时钟的潜力表示乐观：“这确实是一项极具商业应用前景的技术。”

核时钟能够抵御噪声干扰，且设计紧凑，便于在实验室外使用。它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400亿年才会产生1秒误差。

无论怀表还是物理实验室中的计时设备，计时的核心都是对快速且有规律的事件进行计算。在光学原子钟中，这些事件表现为原子中的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，会激发这一转变，实现每秒“滴答”数万亿次。

相比之下，核时钟会计算钍-229在不同核能级之间的跃迁。这些能级具有相同数量的质子和中子，但能量不同，这取决于粒子在原子核内被压缩在一起的方式。

半个世纪以来，钍-229跃迁的精确能量一直不确定。几年前，几个独立研究小组开始接近问题的答案。2024年，现任职于美国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、可同时作用于晶体的激光器，以超高精度确定了这种跃迁。然而，要在一个实际运行的核时钟中获取它，科学家还需要一台波长约148纳米的强大且稳定的连续波紫外激光器。

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》发表论文称，已在148.4纳米波长下实现了100纳瓦的输出功率。《自然》的报道指出，在APS会议上，一些与会者对该激光器的长期前景表示怀疑，因为它需要将有毒的镉蒸气加热到550摄氏度。

还有一种方法是利用特殊晶体将激光的波长转换为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，但未透露该材料的具体名称。

研究人员正在追寻的另一种核时钟关键组件是稳定的钍-229源。目前有两种通用的解决方案：将数万亿个钍-229离子置于固体晶体中，或仅在离子阱中使用少量钍-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，但其稳定性受到限制。稳定的核时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。利用掺入钍-229离子的氟化钙晶体，叶军团队目前已获得线宽约为30千赫兹的信号，但这对稳定的核时钟而言还是太宽了。

目前尚不清楚导致线宽过大的原因，但与会研究人员怀疑这是氟化钙中的杂质所致。一些人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的来源可能仍无法达到足够的准确性，因为晶体会自然扩大信号的线宽。这就是研究人员探索离子阱技术的原因——在离子阱中，钍-229离子会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，但与会人员表示，这只是时间问题。（文乐乐）