✨ 超精确核钟理想晶体位点的突破性进展 ✨
科学家“炼金术”般寻得原子核时钟的完美落脚点
物理学家确定了用于超精确核钟的完美晶体位置
阿金博斯塔奇盖蒂图片社
如今最先进的原子钟通过测量电子在特定激光照射下在能级间稳定跃迁的方式来计时，在迄今为止的整个宇宙年龄中，其精度损失将不到一秒。它们极其精准，但也异常脆弱：需要一整个实验室规模的真空室和屏蔽装置来防止杂散电场或磁场的干扰。
为解决这些问题，科学家们计划深入原子内部一层，从外部的电子转向内部的原子核，追踪能量如何使单个中子在量子态之间翻转。维也纳技术大学的物理学家托尔斯滕舒姆表示，这种转变可使时钟的精度提高至多10倍，而且原子本身能为时钟屏蔽部分外界干扰。此外，这类原子可以被保护性地嵌入晶体中。
在《科学》杂志上发表的一项新研究中，舒姆及其同事绘制了钍原子在晶体中可能存在的四个位置的图谱，并发现其中一个位置近乎是制造有史以来最精确时钟的理想选择。
大部分原子中，以这种方式翻转中子所需的能量需要伽马射线激光器，而科学家目前还无法制造这种激光器。只有一个已知的例外，即一种名为钍229的同位素，研究人员发现它可以用紫外线激光器来触发。
内华达大学雷诺分校的物理学家安德烈杰列维扬科（Andrei Derevianko）解释说：钍229是自然界的一个奇特存在。它的原子核跃迁能量极低，这使得高纯度激光能够激发它。杰列维扬科并未参与这项研究。研究人员一直在寻找一种能够容纳并保护钍229原子的晶体结构，这样时钟运行时就无需使用大型真空室了。
晶体生长就像炼金术，或者像烹饪，舒姆说，你尝试，然后尝试别的方法，然后继续尝试。经过15年的实验，舒姆的团队最终得到了一种固态氟化钙晶体的制备方法——这种晶体掺杂了少量钍229杂质，外观是透明的毫米级立方体。最终它看起来就像一小块玻璃，但背后是数万个小时的学习摸索，他补充道。不过研究人员意识到，如果钍229在晶体内部的位置不佳，晶体会产生不均匀的电场，这会影响时钟的计时精度。
为了研究钍原子在晶体中的可能排列方式，研究人员用定制的紫外激光以某一波长照射60秒，随后关闭激光，观察5分钟，看受激原子核衰变回到低能级并重新发光。之后研究人员改变激光频率，重复上述实验。结果发现，钍原子可以位于晶体晶格中的四个位置。其中三个位置的原子会发射多种波长的光，这表明它们周围存在不均匀的电场；第四个位置的原子只对单一波长有反应，这是均匀电场的标志，使其非常适合用于时钟。
这篇论文中的数据是我们一直以来都想看到的，加州大学洛杉矶分校的物理学家埃里克哈德森说道，他并未参与这项研究。这对于固态核时钟的研究来说是一个非常重要的结果，德国国家计量研究院时间与频率部门负责人埃克哈德派克补充道，他同样没有参与该研究。基于他们的发现，舒姆及其同事已经制造出新型时钟的首批早期原型，并获得了制造一种可安装在小芯片上时钟的技术专利。与此同时，清华大学物理学家丁士乾带领的团队也展示了一款核时钟原型，该原型通过使用更强大的激光照射钍229浓度略低的晶体，取得了与之相当的成果。舒姆认为该领域的研究进展正在加速推进。
舒姆说：我不会给出我们何时能超越最先进原子钟的时间范围，但在可预见的时期内，我们的产品（相比当前原型）至少会提升三个数量级。不过目前，他的团队并未追求更高的精度。他们表示，首要任务是将时钟小型化——舒姆称，首先要从实验室大小缩小到鞋盒大小，这种尺寸可用于数据中心服务器机架，在无法与当今卫星时钟通信时，维持银行交易等业务的正常运行。
📌 相关知识
核钟是一种极其精密的计时装置。它利用原子核的特定跃迁来实现极高精度计时，较传统原子钟，在稳定性和准确性上有巨大提升。其精确的时间度量在导航定位、基础科学研究、通信等领域都有至关重要的应用价值。
BY: Jacek Krywko
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自： https://www.scientificamerican.com/article/physicists-pinpoint-the-perfect-crystal-site-for-an-ultra-accurate-nuclear-clock/
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