科学家们正在开发使用四氟化钍薄膜的核时钟，与以前的型号相比，它的放射性更低，成本更低，可能会彻底改变精确计时。
这项新技术是由一个合作研究小组首创的，它使更容易获得和可扩展的核时钟可能很快就会超越实验室环境，进入电信和导航等实际应用领域。
核时钟技术的突破
寻求超精确计时的科学家们转向了核时钟。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。这些核跃迁受外力的影响要小得多，从而在计时方面提供了无与伦比的准确性。
然而，制造这样的时钟一直具有挑战性。钍-229是核钟的一种关键同位素，它很稀有，具有放射性，而且传统上需要大量获取，成本高得令人望而却步。
在今天（12月18日）发表在《自然》杂志上的一项新研究中，由JILA和NIST研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授叶俊（音译）领导的一个研究小组，以及来自加州大学洛杉矶分校物理与天文学系的Eric Hudson教授的团队，开发了一种突破性的方法。他们制造了四氟化钍（ThF₄）薄膜，使核时钟的放射性降低了一千倍，价格也大大降低。
薄膜的成功使用标志着核时钟发展的一个潜在转折点。在核时钟中使用薄膜技术与半导体和光子集成电路相当，这表明未来的核时钟可能更容易获得和扩展。
叶教授说：“核时钟的一个关键优势是它们的便携性，为了充分释放这样一个有吸引力的潜力，我们需要使系统更紧凑，更便宜，对用户更辐射友好。”
核钟表制造的成本
几十年来，JILA一直处于原子和光学时钟研究的前沿，叶教授的实验室在推进光学晶格时钟的概念，设计和实施方面做出了开创性的贡献，为精密计时设定了新的标准。
近50年来，物理学家一直试图观察钍-229的能量转变。2024年9月，叶教授实验室的研究人员报告了第一个核跃迁的高分辨率光谱，并基于JILA Sr光学晶格时钟确定了绝对频率。他们的研究结果作为封面文章发表在《自然》杂志上。
为了建立他们的核时钟装置，研究小组与维也纳大学的研究人员合作，使用放射性钍-229晶体。
“晶体的生长本身就是一门艺术，我们在维也纳的合作者花了很多年的努力来生长一个漂亮的单晶体来进行测量，”张传坤（音译）解释说，他是JILA的研究生，也是《自然》两篇研究的第一作者。
以前使用掺钍晶体的方法需要更多的放射性物质。由于钍-229通常是通过核衰变从铀中获得的，这导致了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昂贵，”JILA博士后研究员杰克·希金斯（Jake Higgins）补充说，他也参与了这个项目，“所以我们必须用尽可能少的材料来完成这项工作。”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，安全地建造和研究他们的核时钟。
在研究小组努力观察掺钍晶体中的核跃迁的同时，他们还在寻找方法，通过开发薄膜涂层来减少所需的放射性钍的数量，使时钟更安全，更经济。
蒸发钍
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，该工艺包括在一个房间里加热氟化钍直到它蒸发。然后，蒸发的原子在基底上凝聚，形成一层薄而均匀的氟化钍，厚度约为100纳米。研究人员选择蓝宝石和氟化镁作为衬底，因为它们对用来激发核跃迁的紫外线是透明的。
“如果我们有一个衬底非常近，蒸发的氟化钍分子接触衬底并粘在上面，所以你得到一个漂亮的，均匀的薄膜，”研究人员说。
这种方法只使用了微克的钍-229，使产品的放射性降低了千分之一，同时产生了致密的活性钍核层。研究人员与JILA凯克计量实验室和JILA仪器制造商金·哈根合作，可靠地再现了可以用激光测试潜在核跃迁的薄膜。
薄膜核时钟的潜力和挑战
然而，团队面临着新的挑战。在晶体中，每个钍原子都处于有序的环境中，而薄膜不同，在钍环境中产生了变化，改变了它们的能量转换，使它们变得不那么一致。
JILA的研究生杰克·多伊尔也参与了这项研究，他解释说：“沃尔夫冈·泡利有传言说‘上帝发明了体积，表面是魔鬼’，但他也可能这么说，因为对于一个特定的表面来说，难以了解的因素数量是巨大的。”
在准备好这些薄膜后，JILA的研究人员将它们送到加州大学洛杉矶分校的埃里克·哈德森教授那里，后者使用了一种光谱宽度大得多的高功率激光器来测试核跃迁。这种广谱激光器将其所有的光功率集中在一个光谱位置，而不是在较大的光谱距离上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研究小组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。当激光的能量正好与跃迁所需的能量相匹配时，原子核就会释放光子，并放松到原来的状态。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，验证薄膜作为核时钟频率参考的潜力。
“我们制作了薄膜，我们对其进行了表征，它看起来非常好，”JILA研究生田黄（音译）解释说，他也参与了这项研究。“看到核衰变信号确实存在，真是太酷了。”
精密计时的未来
基于他们的发现，研究人员对在核时钟中使用薄膜获得的精确计时的改进感到兴奋。
希金斯解释说：“在固态中使用时钟的总体优势，与在俘获离子环境中使用时钟相反，是原子的数量要多得多。”“离子阱中的原子比实际存在的原子多出几个数量级，这有助于提高你的时钟稳定性。”
此外，这些薄膜还可以使核计时变得小巧便携，从而使其超越实验室环境。
“想象一下你可以戴在手腕上的东西，”研究人员说。“你可以想象，在遥远的未来，所有东西都能小型化到那种程度。”
虽然这种水平的便携性仍然是一个遥远的目标，但它可以彻底改变依赖精确计时的行业，从电信到导航。如果幸运的话，它甚至可能告诉我们新的物理学。
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