???

計(jì)時(shí)技術(shù)是現(xiàn)代社會(huì)的支柱，從我們?nèi)粘Ｊ褂玫臅r(shí)鐘和手表，到支撐手機(jī)、汽車GPS的系統(tǒng)，精確的時(shí)間測量無處不在。通信網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)和金融交易等關(guān)鍵領(lǐng)域，都依賴于高度精準(zhǔn)的時(shí)間同步。

今年早些時(shí)候，物理學(xué)家在時(shí)間測量領(lǐng)域取得了一項(xiàng)重要突破：他們成功讓嵌在晶體中的釷-229原子核像原子中的電子那樣吸收和發(fā)射光子，在精確計(jì)時(shí)方面取得了長足的進(jìn)步。（詳見《核鐘倒計(jì)時(shí)?。?！》）然而，由于釷-229的稀缺性和放射性，使得高濃度的釷-229摻雜晶體的制造和應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)。

在最近發(fā)表在《自然》雜志的一項(xiàng)研究中，研究人員通過創(chuàng)新的制造工藝顯著減少了釷-229的用量，同時(shí)降低了放射性和成本。這一突破不僅有望使新一代核鐘更加精準(zhǔn)，還可能實(shí)現(xiàn)更小型、更便攜的核鐘設(shè)計(jì)，并為量子光學(xué)研究打開新大門。

  精確計(jì)時(shí)  

計(jì)時(shí)技術(shù)的演變貫穿了人類社會(huì)的發(fā)展歷程。從新石器時(shí)代起，人們就已經(jīng)懂得觀察并利用天光來標(biāo)記時(shí)光的輪轉(zhuǎn)。在愛爾蘭紐格萊奇遺跡的入口上方，有一個(gè)特殊的開口設(shè)計(jì)，能在一年中天光最短的日子，也就是12月21日冬至前后，將陽光引入通道深處的墓室。

到了公元前2000年左右，水鐘成了最古老的計(jì)時(shí)工具之一。它通過調(diào)節(jié)流入或流出容器的水流巧妙地記錄時(shí)間。到了13世紀(jì)晚期，機(jī)械鐘的問世，為時(shí)間測量帶來了革命性突破

進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)，我們對計(jì)時(shí)精確度的要求越來越高。秒已經(jīng)成為計(jì)時(shí)的核心單位。1967年之前，秒被定義為一天的1/86400（即24時(shí)×60分×60秒 = 86400）。

后來，國際單位制改變了這一定義，將秒和銫-133原子的躍遷頻率聯(lián)系在了一起：在一秒中，銫-133的電子的特定躍遷會(huì)發(fā)生9192631770次，這一頻率值可以表述為9192631770赫茲（Hz），等同于9192631770秒?1（s?1）。

這個(gè)定義的核心就是躍遷頻率。當(dāng)原子中的電子吸收能量時(shí)，會(huì)躍遷到更高的能級(jí)，經(jīng)過一段時(shí)間后又會(huì)釋放能量回到低能態(tài)。類似于喝下一杯咖啡后，你突然短暫地獲得了能量，直至咖啡因的作用消失。而躍遷頻率就是指在特定時(shí)間段內(nèi)預(yù)計(jì)發(fā)生躍遷的次數(shù)。這種頻率可以用來定義并測量時(shí)間，也是制造高精度原子鐘的基礎(chǔ)。

目前，銫-133的躍遷頻率提供了最精確的“秒”的定義。但是，科學(xué)家相信這一定義仍有改進(jìn)的空間。

  測量更高頻率  

簡單來說，躍遷頻率越高，單次的誤讀對總精度的影響就越小?？梢赃@么理解，如果一種計(jì)時(shí)每秒發(fā)生50次躍遷，另一種每秒發(fā)生5000次。那么每錯(cuò)一次造成的準(zhǔn)確性損失，前者就將是后者的100倍。

銫-133的躍遷頻率位于電磁波譜中的微波范圍，而微波頻率低于可見光的頻率。目前，科學(xué)家們正通過探索發(fā)生在原子核內(nèi)的更高頻率的核躍遷來提高計(jì)時(shí)精度。例如，有研究通過使用躍遷頻率高于銫的鍶元素（其躍遷頻率處于可見光范圍）成功進(jìn)行了相關(guān)測量。類似的研究方向?yàn)殚_發(fā)超越原子鐘的核鐘技術(shù)開辟了新的道路。

然而，這項(xiàng)技術(shù)面臨不小的挑戰(zhàn)，因?yàn)閷Υ蠖鄶?shù)原子而言，改變核的能態(tài)需要極高的能量，遠(yuǎn)超現(xiàn)有的技術(shù)水平。但在今年9月發(fā)表的論文中，科學(xué)家以空前的精確度，觀測到了相對較低能的釷-229核躍遷，攻克了創(chuàng)建釷核鐘的一項(xiàng)關(guān)鍵難題。

  進(jìn)一步改進(jìn)  

但這里還有個(gè)棘手的問題：摻雜釷-229的晶體非常少見，并且具有放射性。在最新的研究中，團(tuán)隊(duì)或許已經(jīng)探索出了解決之道。

他們改變了制造方法，開發(fā)出一種由釷-229前體制成的薄膜。這種方法并不同于將純釷原子嵌入氟基晶體中，而是用溶解在超純水中的釷-229干硝酸鹽母材料，注入坩堝。加入氟化氫后，就會(huì)產(chǎn)生幾微克的釷-229沉淀，再從水中分離出來進(jìn)行加熱，直到它蒸發(fā)并不均勻地凝結(jié)在透明藍(lán)寶石和氟化鎂表面。

中間的深紫色圓圈是一個(gè)釷薄膜靶。（圖/Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado）

研究人員用真空紫外線激光系統(tǒng)激發(fā)薄膜靶中的核躍遷，隨后收集核發(fā)出的光子。這樣一來，所有釷核都處于相同的局域原子環(huán)境中，感受到相同的電場。所有釷都有相同的激發(fā)能量，就能讓時(shí)鐘更穩(wěn)定。

更重要的是，這種薄膜需要的釷-229要少得多，放射性和香蕉一樣低。薄膜的制造也相對簡單，生產(chǎn)規(guī)模易于擴(kuò)展，這意味著它能降低成本，使核鐘更便宜，進(jìn)而得到更廣泛的應(yīng)用。

一份氟化釷薄膜樣本。（圖/ Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado）

研究人員表示，現(xiàn)有的原子鐘通常有一間房那么大，需要真空室來捕獲原子，還要相關(guān)的冷卻設(shè)備。而未來的釷核鐘裝置的體積有望大幅縮小，變得更為便攜，且與此同時(shí)還能提供更精確、更穩(wěn)定的計(jì)時(shí)結(jié)果。

除了商業(yè)應(yīng)用之外，高精度計(jì)時(shí)的出現(xiàn)還可以幫助科學(xué)家研究極快的過程，對時(shí)間和引力進(jìn)行精確測量，驗(yàn)證與物質(zhì)、能量以及空間和時(shí)間有關(guān)的基本定律。