科学家们正在利用四氟化钍薄膜开发核时钟，与之前的模型相比，该核时钟放射性更低、成本效益更高，或将彻底改变精密计时领域。

这一新技术由一支协作研发团队率先研发，使得核时钟的获取更加便捷、可扩展性更强，核时钟也可能很快从实验室环境进入电信和导航等实际应用领域。

核时钟技术取得突破

科学家为了寻求超精密计时，已转向研制核时钟。与依赖电子跃迁的光学原子钟不同，核时钟测量的是原子核内部的能量跃迁。这些核跃迁受外部力的影响要小得多，有望为计时提供无与伦比的精确度。

然而，制造这样的时钟极具挑战性。钍-229是核时钟的关键同位素，它十分稀有，具有放射性，而且按照传统上所需的大量获取方式来看，它的价格极其昂贵。

今日（12月18日），一项由科罗拉多大学博尔德分校物理学教授、美国国家标准与技术研究院（NIST）与联合量子研究所（JILA）研究员Jun Ye领导的研究团队，以及加州大学洛杉矶分校物理与天文系Eric Hudson教授的研究团队在《自然》期刊上发表的新研究显示，他们开发了一种突破性方法。他们制造了氟化钍（ThF₄）薄膜，使核时钟的放射性减弱了千倍，成本也大大降低。

薄膜的成功应用标志着核时钟的发展可能迎来转折点。在核时钟中使用薄膜技术与半导体和光子集成电路的发展相称，这表明未来的核时钟可能更容易实现且更具可扩展性。

叶说：“核钟的一个关键优势在于它的可携带性，为了充分发挥这一诱人的潜力，我们需要让系统更紧凑、更便宜，对用户更友好，减少辐射。”

制造核时钟的成本

几十年来，JILA 一直处于原子钟和光钟研究的最前沿，叶军（Ye）的实验室为光晶格钟的概念、设计和实施做出了开创性贡献，为精密计时设定了新的标准。

近50年来，物理学家一直在尝试观测钍-229的能量跃迁。2024年9月，叶军实验室的研究人员报告了核跃迁的首个高分辨率光谱，并基于JILA锶光晶格钟确定了绝对频率。他们的研究成果在《自然》杂志上以封面文章的形式发表。

为了建造他们的核时钟装置，该团队与维也纳大学的研究人员合作，使用了放射性钍-229晶体。

“晶体的生长本身就是一门艺术，我们位于维也纳的合作伙伴花费了多年的努力，才培育出适用于此次测量的优质单晶，”吉拉（JILA）的研究生张传坤（音译）解释道，他也是两篇《自然》杂志论文的第一作者。

以往使用掺钍晶体的方法需要更多的放射性材料。由于钍-229通常是通过铀的核衰变获得的，因此需要额外考虑辐射安全和成本问题。

“按重量计算，钍-229比我过去研究过的一些定制蛋白质还要昂贵，”同样参与该项目的JILA博士后研究员杰克·希金斯补充道，“所以我们必须尽可能少地使用这种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卫生与安全部门紧密合作，安全地构建并研究了他们的核时钟。

研究小组在观察掺杂钍的晶体中的核跃迁时，同时也在通过开发薄膜涂层来减少所需的放射性钍的数量，从而使时钟更安全、更具成本效益。

钍的汽化

为了制造这些薄膜，研究人员采用了一种名为物理气相沉积（PVD）的工艺，该工艺需要将氟化钍置于一个腔室内进行加热，直至其蒸发。随后，蒸发的原子在基片上冷凝，形成一层厚度约为100纳米的氟化钍薄膜，该薄膜均匀且纤薄。研究人员之所以选择蓝宝石和氟化镁作为基片，是因为它们对用于激发核跃迁的紫外线具有透明性。

张（Zhang）说：“如果在附近有一个基板，气态的氟化钍分子就会接触到基板并附着在上面，这样你就会得到一个均匀美观的薄膜。”

这种方法仅使用了微克量的钍-229，使产品放射性降低了千倍，同时产生了一层密集的活性钍核。研究人员与JILA Keck计量实验室和JILA仪器制造商Kim Hagen合作，可靠地再现了可用激光测试潜在核跃迁的薄膜。

薄膜核时钟的潜力与挑战

然而，该团队面临着一个新的挑战。与晶体中每个钍原子都处于有序环境不同，这些薄膜产生了不同的钍环境，使其能级跃迁发生偏移，导致它们的一致性降低。

同样参与此次研究的JILA研究生杰克·道尔（Jack Doyle）阐述道：“据传沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）曾说过‘上帝创造了体积，而表面则是魔鬼的杰作’，他也可能是因为某一特定表面的难以探究的因素数量庞大才这么说的。”

在制备好薄膜后，JILA 的研究人员将它们送往加州大学洛杉矶分校的埃里克·哈德森 (Eric Hudson) 教授处，哈德森教授使用光谱宽度更大的大功率激光器来测试核跃迁。这种宽光谱激光器的所有光功率都集中在某一光谱位置上，而不是像频率梳那样在更大的光谱距离上具有规律间隔的光谱线。这使得加州大学洛杉矶分校的团队能够有效地激发钍核，尽管观察到的谱线宽度比以往研究中观察到的要宽。当激光能量精确匹配跃迁所需的能量时，原子核在恢复到原始状态的过程中会发射出光子。通过检测这些发射出的光子，研究人员能够确认核激发是否成功，并验证该薄膜作为核钟频率参考的潜力。

“我们制造了薄膜，对其进行了表征，结果看起来相当不错，”同样参与此次研究的JILA研究生Tian Ooi解释道，“能看到核衰变信号确实存在，真是太棒了。”

精密计时的未来

基于他们的发现，研究人员对于通过使用核钟中的薄膜来提高精密计时精确度感到兴奋不已。

希金斯（Higgins）详细阐述道：“与离子阱环境相比，在固态环境中使用时钟的总体优势在于原子数量要多得多得多。离子阱环境中原子数量可能非常有限，而固态环境中的原子数量则比其高出好几个数量级，这有助于提高时钟的稳定性。”

这些薄膜还能让核计时技术变得小巧便携，从而走出实验室环境。

“想象一下能戴在手腕上的东西，”欧说，“你可以想象一下，在非常非常遥远的未来，能把所有东西都缩小到那个程度。”

尽管这种便携程度仍是一个遥远的目标，但它可能彻底改变那些依赖精确计时的行业，从电信到导航均是如此。

“如果我们足够幸运，它甚至可能告诉我们新的物理学理论，”道尔补充道。

参考文献：《自然》杂志2024年12月18日文章，“用于固态核时钟的229ThF4薄膜”，作者：张传坤、拉尔斯·冯·德·文塞、杰克·F·多伊尔、雅各布·S·希金斯、田毅、汉斯·U·弗里贝尔、叶军、R·埃尔韦尔、J·E·S·特伦、H·W·T·摩根、A·N·亚历山德罗娃、H·B·陈潭、安德烈·德列维扬科和埃里克·R·哈德森。 数字对象唯一标识符（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、国家科学基金会和美国国家标准与技术研究院（NIST）的支持。