科学家们开发出使用四氟化钍薄膜的新型核钟，这种核钟不仅放射性更低、成本效益更高，还可能彻底改变我们对精确计时的认知，预示着电信和导航等领域的重大技术突破。这一创新技术将核钟的精确度推向了新的高度，让我们对时间的掌握达到了前所未有的水平。
科学家们正在开发使用四氟化钍薄膜的核钟，与以前的模型相比，它的放射性更低，成本效益更高，从而可以彻底改变精确计时。
这项新技术由合作研究团队首创，可实现更易于访问和扩展的核钟，可能很快就会超越实验室设置进入电信和导航等实际应用。
核钟技术取得突破
寻求超精确计时的科学家们转向了核钟。与依赖电子跃迁的光学原子钟不同，核钟测量原子核内的能量跃迁。这些核转变受外力的影响要小得多，从而提供了无与伦比的计时准确性的潜力。
然而，建造这样的时钟一直具有挑战性。钍229是核钟的关键同位素，它很稀有，具有放射性，而且传统上所需的大量获取成本高昂。
在今天（12月18日）《自然》杂志上发表的一项新研究中，由JILA和NIST研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授Jun Ye领导的研究小组以及加州大学洛杉矶分校物理与天文学系的Eric Hudson教授团队合作，开发出突破性方法。他们制造了四氟化钍(ThF₄)薄膜，使核钟的放射性降低了一千倍，而且价格明显更便宜。
薄膜的成功使用标志着核钟发展的潜在转折点。在核钟中使用薄膜技术与半导体和光子集成电路相当，这表明未来的核钟可能更容易获得和扩展。
叶说：“核钟的一个关键优势是其便携性，为了充分释放如此诱人的潜力，我们需要使系统更紧凑、更便宜、对用户更无辐射。”
沉积过程示意图，钍离子蒸发，然后沉积在基板表面上的薄膜中。图片来源：Steven Burrows/Ye 集团和 JILA
核钟表制造的成本
几十年来，JILA一直处于原子和光学钟研究的前沿，叶的实验室在推进光学晶格钟的概念、设计和实施方面做出了开创性贡献，为精密计时树立了新标准。
近50年来，物理学家一直致力于观察钍229的能量转变。2024年9月，叶实验室的研究人员报告了第一个高分辨率的核跃迁光谱，并基于JILA Sr光学晶格时钟确定了绝对频率。他们的结果作为封面文章发表在《自然杂志》上。
为了构建核钟装置，该团队与维也纳大学的研究人员合作，使用放射性钍229晶体。
“这种晶体的生长本身就是一门艺术，我们在维也纳的合作者花费了多年的努力来生长出用于这种测量的优质单晶，”JILA的研究生、两项《自然》研究的第一作者Chuankun张解释道。
以前使用掺钍晶体的方法需要更多的放射性材料。由于钍229通常是通过核衰变从铀中提取的，这会导致额外的辐射安全和成本考虑。
“按重量计算，钍229比我过去研究过的一些定制蛋白质更贵，”也参与了该项目的JILA博士后研究员Jake Higgins补充道，“所以我们必须用尽可能少的材料来完成这项工作。尽可能。”
研究人员与科罗拉多大学博尔德分校的环境健康与安全部门密切合作，安全地构建和研究他们的核时钟。
当团队致力于观察钍掺杂晶体中的核转变时，他们同时寻求通过开发薄膜涂层来减少所需放射性钍的量，从而使时钟更安全、更具成本效益的方法。
汽化钍
为了生产薄膜，研究人员使用了一种称为物理气相沉积（PVD）的工艺，该工艺涉及在腔室中加热氟化钍直至其蒸发。然后汽化的原子在基底上凝结，形成约100纳米厚的薄而均匀的氟化钍层。研究人员选择蓝宝石和氟化镁作为基材，因为它们对用于激发核跃迁的紫外线具有透明度。
“如果我们有一个非常靠近的基底，汽化的氟化钍分子会接触基底并粘附在其上，这样你就会得到一层漂亮、均匀的薄膜，”张说。
该方法仅使用微克钍229，使产品的放射性降低一千倍，同时产生致密的活性钍核层。研究人员与JILA Keck计量实验室和JILA仪器制造商Kim Hagen合作，可靠地复制了可以使用激光测试潜在核跃迁的薄膜。
薄膜核钟的潜力和挑战
然而，团队面临着新的挑战。与晶体中的每个钍原子都位于有序的环境中不同，薄膜在钍环境中产生变化，改变它们的能量跃迁并使其不太一致。
JILA研究生杰克·多伊尔（Jack Doyle）也参与了这项研究，他解释说：“据传沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）曾说过‘上帝发明了体积，而表面却是魔鬼’，但他也可能这样说，因为数量对于特定表面来说，难以了解的因素是巨大的。”
准备好胶片后，JILA研究人员将它们发送给加州大学洛杉矶分校的埃里克·哈德森教授，后者使用光谱宽度更大的高功率激光来测试核跃迁。这种广谱激光器的所有光功率都集中在一个光谱位置，而不是在较大光谱距离上具有规则间隔的光谱线的频率梳。这使得加州大学洛杉矶分校的团队能够有效地激发钍原子核，尽管观察到的线宽比之前研究中看到的更宽。当激光的能量与跃迁所需的能量精确匹配时，原子核会在松弛回到原始状态时发射光子。通过检测这些发射的光子，研究人员可以确认成功的核激发，验证薄膜作为核钟频率参考的潜力。
“我们制作了薄膜，对它进行了表征，它看起来相当不错，”也参与了这项研究的JILA研究生Tian Ooi解释道。“看到核衰变信号确实存在真是太酷了。”
精密计时的未来
根据他们的发现，研究人员对通过在核钟中使用薄膜来提高精确计时感到兴奋。
“与捕获离子环境相比，在固态下使用时钟的总体优势是原子数量要多得多，”希金斯解释道。“原子数量比离子陷阱中的原子数量要多几个数量级，这有助于提高时钟稳定性。”
这些薄膜还可以使核计时变得紧凑和便携，从而超越实验室环境。
“想象一下你可以戴在手腕上的东西，”Ooi说。“你可以想象在遥远的未来能够将一切小型化到那个水平。”
虽然这种程度的便携性仍然是一个遥远的目标，但它可能会彻底改变依赖精确计时的行业，从电信到导航。
“如果我们幸运的话，它甚至可能告诉我们新的物理学，”多伊尔补充道。
参考文献：
“用于固态核钟的229ThF4薄膜”，2024年12月18日，《自然》。
DOI：10.1038/s41586-024-08256-5
这项工作得到了陆军研究办公室、空军科学研究办公室、国家科学基金会和国家标准与技术研究所(NIST)的支持。