《自然》重磅！刚刚，美国原子核钟突破！全球仅存40克钍？够了

全球库存仅约40克、比钻石珍贵无数倍的战略物资，科学家曾以为要把它像供奉“睡美人”一样封印在完美晶体中才能唤醒，结果刚刚被证实：只要像地摊上“镀金首饰”那样简单的工艺，用掉原来千分之一的量，就能制造出重新定义时间的终极神器！

这是刚刚发生的物理学地震。

2025年12月10日，顶级学术期刊《自然》（Nature）刊登了一项由美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）物理学家Eric Hudson领衔的突破性研究 。他们用一种近乎“粗暴”的极简方式，粉碎了学界长达50年的教条。他们证明，制造那个传说中能让GPS导航精细度提升几个数量级的“核光钟”，根本不需要昂贵脆弱的晶体，一块不锈钢片、一点点电流，就能开启人类计时的新纪元。

要把故事讲清楚，我们得先聊聊主角：钍-229（Thorium-229）。

在原子钟的世界里，钍-229是当之无愧的皇冠明珠。普通原子钟（像铯原子钟）用的是电子的跃迁，而“核光钟”用的是原子核的跃迁。后者受外界干扰极小，理论精度能把现在的原子钟按在地上摩擦。

但这里有个巨大的Bug：钍-229太少了。

它不存在于自然界，只能从冷战时期遗留的武器级铀-233的衰变中提取。据估算，全世界目前的可用库存大约只有40克。

按照以前的剧本，科学家们认为要把钍-229嵌入到一种特殊的、极其纯净的氟化晶体中。为了让激光能穿透晶体去“挠痒痒”原子核，这块晶体必须绝对透明。这就像是要为一位娇贵的公主建造一座完美的水晶宫殿。

Hudson教授的团队之前花了整整15年去研究怎么长这个晶体，结果发现这玩意儿不仅难长，还特别“吃”原料——做一个样品至少要废掉1毫克的钍。

对于只有40克库存的人类来说，这简直是在烧钱，哦不，是在烧掉最后的希望啊。

直到现在。

在这篇最新的论文中，Hudson团队提出了一个让所有同行大跌眼镜的思路：如果公主不需要住在水晶宫里呢？

他们放弃了高大上的晶体生长，转身捡起了19世纪就发明的工业老手艺——电镀。

是的，就是那个用来给便宜首饰镀金、防止汽车生锈的技术。研究人员直接拿了一块不锈钢圆盘，把钍-229配成溶液，通上电，在钢片表面镀了一层极其微薄的二氧化钍（229ThO2）。

这层膜有多薄？大约10纳米。

这波操作简直是把“贵族”拉进了“铁匠铺”。但就是这个像硬币一样的金属片，不仅坚固耐用，而且用掉的钍-229只有原来晶体方案的千分之一

你可能会问：不透明的二氧化钍和不锈钢，激光怎么打进去？信号怎么读出来？

这正是这项研究最“鸡贼”（褒义）的地方。

以前科学家死磕透明晶体，是因为他们想看到原子核被激发后发出的“光”（荧光）。但实际上，当激光打在不透明的二氧化钍表面时，虽然光透不进去，但表层的原子核还是会被击中。

当这些原子核兴奋起来后，它们并不一定非要发光。在特定条件下，它们会把能量这一脚“踢”给身边的电子，让电子飞出来。这个过程在物理学上叫“内转换”（Internal Conversion, IC）。

Hudson团队并没有去捕捉微弱的光，而是直接在旁边放了个探测器，去抓这些飞出来的电子（电流）。

这一招“偷天换日”直接打通了任督二脉：

1、不再需要透明：材料黑乎乎的也没关系，只要电子能飞出来就行。这直接让带隙较小的二氧化钍（约6 eV）成为了完美的宿主，打破了之前必须用宽带隙材料（>8.4 eV）的死规矩。

2、速度极快：发光的辐射衰变很慢，但这种“内转换”发射电子的速度比发光快了1亿倍！这意味着时钟的“嘀嗒”声更密集，测量更稳。

3、设备极简：不需要复杂的光学透镜组去收集光，只需要检测电流。这意味着未来的核光钟可能像芯片一样小。

这套“土法炼钢”造出来的设备，性能如何？

数据显示，激光成功激发了钍-229核异构体，不仅测出了极其精确的跃迁频率——2,020,407.5 GHz，还测得内转换寿命约为12.3微秒

更可怕的是它的潜力。基于此技术制造的核光钟，其预测的不稳定性在1秒内低至2×10^-18。

这是什么概念？如果不加干预，这块表走上几百亿年（比宇宙年龄还长），误差可能还不到一秒。

这项技术的突破，意味着我们不用再担心那区区40克的钍不够用了。用这一招，全世界的科学家都能造得起核光钟。

当这种只有芯片大小、不需要接收卫星信号就能精准计时的“黑科技”被装进潜艇、深空探测器甚至你的手机里时：

• GPS被干扰？不存在的，潜艇在深海潜伏几个月，位置误差依然是毫米级。
• 物理学大厦要塌？这种钟对引力波、暗物质极其敏感，它可能会成为人类探测宇宙最幽深秘密的“听诊器”。

正如Hudson教授所说，他们把一个需要把钍当“公主”供着的娇贵实验，变成了一块可以在工业流水线上生产的坚硬钢片。

有时候，科学的最高境界，就是把最复杂的问题，变得像镀金戒指一样简单。

参考文献：

Elwell, R., et al. "Laser-based conversion electron Mössbauer spectroscopy of229ThO2."Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-09776-4.

"Old jeweler's trick could unlock next-generation nuclear clocks." Phys.org, Dec 10, 2025.

"Old jeweler’s method may unlock compact thorium nuclear clocks for GPS-free navigation."Innovation News Network, Dec 10, 2025.