來源：SciTechDaily.com

12月18日，一項由合作研究團隊在《自然》雜志上發表的新研究揭示了核鐘技術的重大突破。科學家們成功開發出采用四氟化釷(ThF?)薄膜的核鐘，這種新型核鐘不僅放射性大幅降低，而且成本效益更高，有望徹底改變精確計時領域。

核鐘通過測量原子核內的能量躍遷來實現超精確計時，這些核躍遷受外力影響較小，因此具有實現無與倫比計時精度的潛力。然而，傳統核鐘的制造一直面臨諸多挑戰，尤其是釷-229同位素的稀有性、放射性和高昂成本。

幾十年來，JILA(實驗天體物理聯合研究所)一直處于原子和光鐘研究的前沿，科羅拉多大學博爾德分校物理學教授Jun Ye教授的實驗室在光晶格鐘領域做出了開創性貢獻。為了建立核鐘裝置，該團隊與維也納大學的研究人員合作，使用放射性釷-229晶體。然而，傳統方法需要更多的放射性物質，增加了輻射安全性和成本考慮。

為了解決這些問題，由‌JILA(實驗天體物理聯合研究所)和美國國家標準與技術研究所(NIST)研究員、科羅拉多大學博爾德分校物理學教授Jun Ye領導的研究團隊與加州大學洛杉磯分校物理和天文系的Eric Hudson教授團隊共同開發了一種突破性方法。研究人員開發了薄膜涂層，通過物理氣相沉積(PVD)工藝在基底上形成一層約100納米厚的四氟化釷薄膜。這種方法僅使用微克的釷-229，大幅降低了產品的放射性，同時產生一層致密的活性釷核。研究人員與JILA的合作伙伴共同合作，成功復制了可以使用激光測試潛在核躍遷的薄膜，這種方法使核鐘的放射性降低了一千倍，同時顯著降低了成本。

薄膜技術的成功應用標志著核鐘發展的一個潛在轉折點。這種技術在核鐘中的應用與半導體和光子集成電路相當，預示著未來的核鐘可能更加易于訪問和可擴展。Jun Ye教授表示：“核鐘的一個關鍵優勢是其便攜性，為了充分釋放這一潛力，我們需要使系統更緊湊、更便宜、對用戶更耐輻射。”

然而，薄膜技術也帶來了新的挑戰。與晶體中每個釷原子都處于有序環境不同，薄膜中的釷環境產生變化，導致能量躍遷變得不那么一致。面對這一挑戰，研究人員與加州大學洛杉磯分校的Eric Hudson教授合作，使用高功率激光器測試核躍遷。通過檢測發射的光子，研究人員成功驗證了薄膜作為核鐘頻率參考的潛力。

根據研究結果，研究人員對薄膜核鐘所帶來的計時精度提高感到非常興奮。與離子阱相比，固態時鐘的原子數量要大得多，有助于提高時鐘的穩定性。此外，這些薄膜還可以使核計時變得更加緊湊和便攜，從而走出實驗室環境，進入電信和導航等實際應用領域。

雖然薄膜核鐘的便攜性仍然是一個遙遠的目標，但這一突破為依賴精確計時的領域帶來了前所未有的機遇。研究人員表示，如果他們足夠幸運，這種新型核鐘甚至可能會揭示有關新物理學的知識。

這項工作得到了陸軍研究辦公室、空軍科學研究辦公室、國家科學基金會和國家標準與技術研究所(NIST)的支持。