关键的外卖

　　当被激光束击中时，原子钟会激发镶嵌在透明晶体中的钍-229原子核，从而产生有史以来最精确的时间和重力测量结果，甚至可以改写一些基本的物理定律。

　　掺杂钍-229的晶体既稀少又有放射性。

　　使用钍-229干前驱体的薄膜显示出与晶体相同的核激发，但它的低成本和放射性，以及更小的尺寸意味着它的生产可以更容易地按比例扩大，以制造更小、更便宜、更便携的原子钟。

　　今年夏天，加州大学洛杉矶分校的物理学家成功地将钍-229原子的原子核嵌入透明晶体中，像原子中的电子一样吸收和发射光子，结束了几十年来人们对这一壮举是否可能的猜测。用激光提高原子核的能量状态，或者激发它，将使有史以来最精确的原子钟得以发展，并使时间和重力的最精确测量成为可能。这样的原子钟甚至可以改写一些基本的物理定律。

　　但有一个问题：掺杂钍229的晶体既稀少又有放射性。在《自然》杂志上发表的一篇新论文中，一个由加州大学洛杉矶分校的化学家和物理学家组成的团队可能也解决了这个问题，他们用钍-229前体制成了薄膜，这种薄膜所需的钍-229要少得多，而且放射性和香蕉差不多。利用这些胶片，他们展示了核时钟所必需的相同的激光驱动的核激发。这种薄膜的生产不仅可以用于核时钟，还可以用于其他量子光学应用。

　　新方法不是将纯钍原子嵌入氟基晶体中，而是使用一种溶解在超纯水中的钍-229干硝酸盐母物质，并将其移入坩埚中。加入氟化氢会产生几微克的钍-229沉淀物，将其从水中分离出来并加热，直到它蒸发并不均匀地凝结在透明的蓝宝石和氟化镁表面。

　　来自真空紫外激光系统的光被引导到目标上，在那里它激发了核状态，正如加州大学洛杉矶分校早期研究报告的那样，随后由核发射的光子被收集起来。

　　“使用母体材料——氟化钍的一个关键优势是，所有的钍原子核都处于相同的局部原子环境中，并且在原子核处经历相同的电场，”共同作者、加州大学洛杉矶分校的化学和生物化学教授、材料科学与工程教授查尔斯·w·克利福德小安娜斯塔西娅·亚历山德罗娃说。“这使得所有的钍都表现出相同的激发能，从而形成一个更稳定、更精确的时钟。这样，这种材料是独一无二的。”

　　Ye实验室，JILA， NIST和科罗拉多大学的氟化钍薄膜样品。

　　每个时钟的核心都是一个振荡器。时钟的工作原理是将时间定义为振荡器经历一定次数的振荡所需的时间。在落地式座钟中，一秒可以定义为钟摆来回摆动一次的时间；在手表的石英振荡器中，晶体的振动通常约为320000次。

　　在钍核钟中，一秒大约是原子核的2,020,407,300,000,000个激发和弛豫周期。这种更高的滴答率可以使时钟更精确，前提是滴答率稳定；如果滴答率改变，时钟就会测量时间错误。在这项工作中描述的薄膜为细胞核提供了一个稳定的环境，既容易构建，又有潜力用于生产微制造器件。这可能使核时钟得到广泛使用，因为它使它们更便宜，更容易生产。

　　现有的基于电子的原子钟是房间大小的精巧装置，带有真空室来捕获原子和与冷却相关的设备。基于钍的核时钟将更小、更坚固、更便携、更精确。

　　除了商业应用之外，新的核光谱学可以揭开宇宙中一些最大的谜团。对原子核的灵敏测量为了解原子核的性质及其与能量和环境的相互作用开辟了一条新途径。反过来，这将让科学家们测试他们关于物质、能量和空间和时间定律的一些最基本的想法。