固态计时器：钍229可以构成基于芯片的核时钟的基础。 （提供：iStock/Tadamichi）
德国和奥地利的研究人员已经证明，他们可以将同位素Atom核置于低位亚稳态，因此基于钍 229 的核钟又近了一步。
极低的 8 eV 激发能量对应于真空紫外光，可由激光产生。 因此，该转换可用于创建准确的时钟。 原则上，这种核钟比现有的Atom钟更稳定，因为它更不容易受到环境噪音的影响。 核钟也可能更实用，因为与Atom钟不同，它可能是一个完全固态的装置。
然而，这种高精度和稳定性使得观察和激发这种转变变得困难，因为所涉及的光具有非常窄的带宽并且很难找到。 事实上，直到去年，CERN 的研究人员才首次对跃迁产生的光子进行了直接测量，而跃迁的存在却在 2016 年得到了证实。
低成本激光
Thorium-229 并不是唯一正在探索用于核钟的Atom核。 钪 45 的研究工作正在进一步推进，但该Atom核的跃迁能量为 12.4 keV。 这意味着它必须与 X 射线激光器配合才能制造时钟，而这种激光器成交量庞大且昂贵。
这项新研究是由德国布伦瑞克联邦物理技术研究所和奥地利维也纳理工大学的物理学家合作完成的。 团队成员之一是埃克哈德·佩克（Ekkehard Peik），他在二十年前提出了核钟的想法。
核钟和Atom钟的工作原理大致相同。 感兴趣的跃迁由激光（或微波激射器）激发，发射的光被发送到反馈控制机制，该机制将激光的频率锁定到跃迁的频率。 激光极其稳定的频率是时钟的输出。
第一个时钟（以及当前的国际时间标准）使用微波和铯Atom，而当今最好的时钟（称为光学时钟）使用光和包括锶和镱在内的Atom。 光学Atom钟非常可靠，即使经过数十亿年，它们也只会误差几毫秒。
越小越好
这种性能很大程度上取决于Atom如何被捕获和屏蔽电磁噪声——这是一个重大的实验挑战。 相比之下，Atom核比Atom小得多，这意味着与电磁噪声的相互作用要少得多。 事实上，时钟核可以嵌入固体材料中，而不是被隔离在陷阱中。 这将大大简化时钟设计。
在他们的实验中，奥地利和德国物理学家在氟化钙晶体中掺杂了钍229Atom核，这些Atom核是他们从美国核裁军计划中获得的。 掺钍晶体的直径只有几毫米。 然后，他们使用台式激光器将钍 229 激发到所需的低能核状态。 这种激发是通过一种称为共振荧光的技术得到证实的，该技术涉及检测受激Atom核衰变回到基态时发射的光子。
“这项研究是核钟发展过程中非常重要的一步，”比利时鲁汶大学从事核钟研究的 Piet Van Duppen 说道。 “这证明这种发展在技术上是可行的，对于固态时钟也是如此。 我们假设核跃迁的激光激发可以在光陷阱中检测到，但直到现在，人们还怀疑固态晶体中是否也是如此。”
未来核钟的潜在应用主要在于检测微小的时间变化，这可能指向标准模型之外的新物理学。 这可能包括基本力和常数的变化。 特别是，时钟可以通过寻找核力的变化来揭示新的物理学，核力将Atom核结合在一起并最终定义时钟频率。 因此，核钟可以揭示物理学中的一些重大谜团，例如暗物质的本质，
这些时钟还可用于测量由于地球引力差异而导致的时间膨胀。 这可以通过使用芯片上的微型且高度移动的核钟来完成，这些芯片可以很容易地移动到不同的位置。 这对于进行大地测量和地质研究非常有用。
一篇描述该研究的论文已被《物理评测快报》接受发表。
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