一项古老的工艺，为核钟研究打开新路径

超越原子钟

从来回摆动的钟摆到振动的原子，所有时钟都依赖可靠而周期性的物理过程来计时。原子钟的“滴答”，由原子中电子从激发态跃迁回基态时所发射光子的频率来定义。

尽管原子钟已经是目前世界上最精确的计时装置，研究人员仍提出，如果改用原子核从激发态退激时所发射的光子来定义时间的“滴答”，在理论上就有可能构建出精度超过原子钟的计时装置——这类装置被称为“核钟”。

去年，一个研究团队实现了一项长期以来被认为极具挑战性的突破：他们利用激光照射嵌入在特殊氟化物晶体中的放射性钍-229的原子核，使其能够像原子中的电子一样吸收并发射光子。

但问题也随之而来：研究人员随后发现，这种晶体不仅生长过程极为困难，制造成本十分高昂，对任何实际应用都构成了实质性的限制，而且需要使用的钍最少也要1毫克——这对于目前全球可用于核钟研究的钍-229总量仅约40克的情况下，是一个非常大的数字。

现在，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，研究团队找到了一种全新的方法，只需使用极少量的钍，就能实现与他们早期依赖特殊晶体时相同的效果。这为核钟技术走向现实应用打开了大门。

一层电镀的薄膜

在最新研究中，研究团队改为在一层微观尺度的氧化钍薄膜中激发钍原子核。这种薄膜是通过在传统珠宝电镀工艺基础上进行小幅改动，将极微量的钍电镀到不锈钢表面而制成的。

电镀技术发明于19世纪初，其原理是让电流通过导电溶液，将一种金属的原子沉积到另一种金属表面，进而形成一层薄膜。例如，在珠宝制作中，银或金常被电镀在较为廉价的金属基底上。

研究人员感慨道，他们耗费了大量时间来弄清楚如何生长氟化物晶体，而这次，却通过借助最古老的工业技术之一，在钍的用量仅为之前的千分之一的情况下，获得了同样的效果。而且，他们最终制成的样品在本质上只是一小块钢材，其坚固程度远胜于那些脆弱的晶体。

一个被推翻的假设

这一突破之所以得以实现的关键，在于研究人员意识到，一个长期以来的基本假设实则是错误的：长期以来，物理学家都认为，要想激发并观测核跃迁，钍必须嵌入一种对激发原子核的光透明的材料中。

一束激光（紫色箭头）照射电沉积得到的钍薄膜（橙色），由此产生的电子（黄色箭头）被探测器捕获（出于艺术化表达，探测器正面被设计成时钟的外观）。（图/Richard Elwell and Christian Schneider）

但在这项研究中，他们意识到这一假设根本不成立。事实证明，即便是在不透明材料中，仍然能够让足够的光注入这些不透明材料表面，激发靠近表面的原子核。随后，这些原子核不会像在晶体等透明材料中那样发射光子，而是释放电子——而电子只需通过监测电流就能探测到！

换句话说，在这一过程中，钍原子核首先会从激光中吸收能量，随后在几微秒内将这些能量转移给附近的电子，从而可以直接通过电流的形式进行测量。

一种可行的核钟

这项工作为实现可行的钍核钟铺平了道路。在过去二十年里，对核钟的研究一直聚焦于钍-229这一同位素。新研究所发展的方法有望降低未来对基于钍的核钟的成本和复杂度，进而可能推动更紧凑、更高稳定性的计时技术发展，并在多种航空航天应用中发挥作用。

研究人员表示，钍核钟甚至还可能彻底改变基于时钟开展的基础物理测量，例如对相对论的检验。由于它们对环境扰动具有天然的低敏感性，未来的钍核钟还有望用于建立覆盖整个太阳系的统一时间尺度，而这对于人类在其他行星上建立长期存在至关重要。

#参考来源：

https://newsroom.ucla.edu/releases/thorium-could-power-next-generation-atomic-clocks

https://www.manchester.ac.uk/about/news/the-worlds-most-precise-nuclear-clock-ticks-closer-to-reality/

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09776-4

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03732-y

#图片来源：

封面图&首图：Richard Elwell and Christian Schneider