隨著科學(xué)家們對釷-229核光學(xué)鐘的探索，一項革命性的計時突破可能即將出現(xiàn)，這項創(chuàng)新可能會超過今天的原子鐘。
通過用激光操縱核量子態(tài)，研究人員正在突破時間測量精度和穩(wěn)定性的界限。盡管這段旅程已經(jīng)跨越了幾十年，主要的技術(shù)障礙仍然存在，但最近的實驗里程碑使這個未來主義的時鐘更接近現(xiàn)實。如果成功，它將重塑我們對時間和宇宙本身的理解。
挑戰(zhàn)時間的極限
在《國家科學(xué)評論》最近發(fā)表的一篇展望文章中，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院的童欣博士和他的同事們探索了基于釷-229（229Th）開發(fā)核光學(xué)時鐘的令人興奮的潛力和重大挑戰(zhàn)。
時間和頻率是物理學(xué)中最能精確測量的物理量。今天，原子鐘，特別是原子光鐘，為精確度設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)。但釷-229核光學(xué)鐘可以進(jìn)一步提高精度。
核時鐘的量子邊緣
釷-229的非凡之處在于，它是已知的唯一一種核能級低到可以用激光接近的核素。這使科學(xué)家能夠直接操縱核量子態(tài)。由于原子核比原子小得多，它受外部影響的影響要小得多。它的量子態(tài)也很好地分離，周圍的電子有助于保護(hù)它免受電磁干擾。這些特點使釷-229核光學(xué)鐘成為實現(xiàn)前所未有的計時精度的有希望的候選者。
這項研究始于半個世紀(jì)前?？茖W(xué)家們首先確定了229Th的低激發(fā)核態(tài)，為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。自那以后，出現(xiàn)了重要的里程碑。2024年，實現(xiàn)了229Th核躍遷的直接激光激發(fā)。來自維也納工業(yè)大學(xué)（TU）、加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）和實驗室天體物理聯(lián)合研究所（JILA）的不同研究團(tuán)隊使用摻雜晶體和薄膜等各種材料進(jìn)行了實驗。這些實驗逐漸提高了對核轉(zhuǎn)變的理解和測量能力。
核時鐘發(fā)展的持續(xù)挑戰(zhàn)
盡管取得了這些顯著成就，但仍存在許多挑戰(zhàn)。固態(tài)環(huán)境中的核轉(zhuǎn)變對溫度相關(guān)變化高度敏感。229Th同位素的稀缺、開發(fā)特定高功率、窄線寬激光器的困難、對相互作用機(jī)制的不完全理解以及缺乏閉環(huán)操作都是主要障礙。
然而，克服這些挑戰(zhàn)至關(guān)重要。釷核鐘的成功實現(xiàn)將徹底改變計時，并為基礎(chǔ)物理研究開辟新的領(lǐng)域。它可能導(dǎo)致光學(xué)時鐘系統(tǒng)的范式轉(zhuǎn)變，從依賴電子躍遷到依賴核躍遷，并提供對宇宙基本定律的更深入了解。
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