研究人员已制造出核钟的首个原型，最终甚至可能装入一块小型芯片。
维也纳技术大学的科学家在一种晶体内部找到了一个完美位置，钍-229原子可以位于该位置，帮助构建比现有时钟精度最高提升10倍的核钟，使其成为迄今最精确的核钟。这听起来可能像偶然发现，但研究人员仅制造这种晶体就花了15年。
原子钟通过测量电子在激光照射下于能态之间跃迁的方式来计时，是我们当今现代世界的基石。从我们在应用程序上查找目的地所用的卫星导航系统，到追踪全球各地发生的金融交易，原子钟无处不在，尽管我们未必每次都直接与它们打交道。
然而，尽管原子钟精度很高，它们也非常脆弱。为了保护它们免受磁场或电场干扰，科学家不得不配备大型真空室和屏蔽装置，这些会占用大量实验室空间。为了避免这一点，科学家现在正在制造核钟，核钟深入到原子更内层，利用原子核内中子的能量翻转来计时。
使用钍的核钟
原子核被电子云包围，电子云可天然屏蔽杂散电场和磁场，从而减少对外部系统的依赖。科学家使用材料或晶体并在室温下运行它们，进一步有助于核钟本身的小型化。
此外，利用频率更高的紫外光，科学家能够制造更大的能量跃迁，并更频繁地测量这些跃迁，从而以更精细的增量追踪时间，由此提高精度。
然而，制造这些核钟的问题在于，翻转中子需要伽马射线激光器，而这种激光器尚未被制造出来。于是，他们使用紫外激光器来翻转一种钍同位素（原子质量为229）中的中子。
为了制造核钟，研究人员需要制造一种能容纳钍-229原子并免去核钟运行所需真空室的晶体。这也使得在更小的设备中使用这些核钟成为可能。
晶体中的完美位置
晶体也许看起来不过像一块玻璃，但要制造出带有完美位置且合适的晶体却相当困难。维也纳技术大学由物理学家托尔斯滕·舒姆领导的研究团队花了超过15年时间完善可用于核钟的晶体配方。
舒姆将晶体制造过程比作烹饪甚至炼金术，你需要不断尝试并改变一些因素，才能得到预期结果。经过多年实验，团队了解到，如果他们制造的氟化钙晶体中钍-229处于不良的内部位置，晶体就会产生不均匀的电场，从而干扰核钟的计时。
为了弄清晶体内部哪些位置最适合放置钍-229，研究人员用紫外激光照射60秒，然后关闭激光，等待五分钟，让原子核发出光并回到较低能级。
研究人员用不同频率重复实验，发现钍原子可以位于晶格内的四个位置。不过，其中三个位置返回的激光具有不同波长，这表明它们周围存在不均匀的电场。
第四个位置返回的激光只有一个波长，这使其成为核钟的完美位置。研究人员利用这一点制造了核钟的首个原型，该原型最终可能装入一块小型芯片。到今年年底，该团队预计其核钟的精度将提高至少三个数量级，但主要重点是将核钟小型化，以便尽早部署到现实场景中。
研究结果发表在《科学》杂志上。
如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！
热门跟贴