光学核钟迈向现实：钍-229激光激发取得新突破

直到2024年，科学家才首次在透明基质材料中利用激光成功实现了钍-229的激光激发。

美国与德国的研究人员合作，在光学核钟领域取得了一项重大突破，首次在非透明基质材料中实现了钍-229的激光激发。根据一份新闻稿，这一进展有望为核激光光谱学开辟一类全新的材料，并催生光学核钟等技术壮举。

在日常生活中，时间的测量极为重要。错过几个小时可能意味着你午餐或一个重要会议要迟到。当你赶到火车站却错过火车时，每一分钟都显得弥足珍贵。但是，几秒钟的误差真的无关紧要吗？

你可能不知道，正是这种秒级的精确测量，确保了你的GPS能告诉你在正确的时间奔跑，也确保了输送到电网的能源频率保持稳定。

更进一步，科学家甚至可以通过更精确的时间测量来探究基础物理学。但是，如何才能精确测量比秒更小的单位呢？这就是原子钟的用武之地。

原子钟与核钟之争

1873年，詹姆斯·麦克斯韦提出通过测量光波的振动来测量时间。但直到1955年，英国国家物理实验室才利用铯原子制造出第一台原子钟。此后，原子钟研究迎来热潮，并催生了秒的新定义。

多年来，科学家利用汞、锶、镱等元素建造了原子钟，推动了卫星导航、电信乃至金融交易精确时间戳等技术的发展。

然而，科学家们已经认识到原子钟的局限性，其运行依赖于束缚电子的能级。这些能级易受外部电磁场的影响，促使研究人员寻找更好的替代方案。

由于原子核比原子本身小几个数量级，对外部因素的抵抗力更强，这催生了核钟的构想。

核钟的概念非常新颖，直到2024年，研究人员才首次成功利用激光直接激发钍原子。即便如此，针对钍-229的实验此前也仅在能被148纳米激光穿透的透明基质材料中获得成功。

在非透明材料中的激发

加州大学洛杉矶分校、慕尼黑大学和美因茨大学的研究人员现在成功地在非透明材料中实现了这种激光激发。这一成就使得钍原子得以稳定存在，同时对激光保持不透明，从而拓宽了可用材料的范围。

"这项成功打开了一扇通往此前难以触及的核物理领域的大门，"美因茨大学物理研究所的博士后研究员拉尔斯·冯·德·文斯解释道，他于2017年首次提出了该实验构想。"我们现在能够在非透明材料中实现核激发，这开启了全新的实验可能——并使我们向实现光学核钟的目标迈出了重要一步。"

光学核钟不仅将为我们提供人类历史上最精确的时间标准，还将进一步提升卫星导航精度，并支持自动驾驶运输。

除了光学核钟，这项突破还为其他实验开辟了新途径，例如基于激光的IC穆斯堡尔光谱学，使在固态环境中研究原子核成为可能。

新闻稿补充道，科学家还将能够探索自然界常数是否随时间变化，并加强对暗物质的搜寻。

这项研究成果已发表在《自然》杂志上。

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