来源：SciTechDaily.com
12月18日，一项由合作研究团队在《自然》杂志上发表的新研究揭示了核钟技术的重大突破。科学家们成功开发出采用四氟化钍(ThF₄)薄膜的核钟，这种新型核钟不仅放射性大幅降低，而且成本效益更高，有望彻底改变精确计时领域。
核钟通过测量原子核内的能量跃迁来实现超精确计时，这些核跃迁受外力影响较小，因此具有实现无与伦比计时精度的潜力。然而，传统核钟的制造一直面临诸多挑战，尤其是钍-229同位素的稀有性、放射性和高昂成本。
几十年来，JILA(实验天体物理联合研究所)一直处于原子和光钟研究的前沿，科罗拉多大学博尔德分校物理学教授Jun Ye教授的实验室在光晶格钟领域做出了开创性贡献。为了建立核钟装置，该团队与维也纳大学的研究人员合作，使用放射性钍-229晶体。然而，传统方法需要更多的放射性物质，增加了辐射安全性和成本考虑。
为了解决这些问题，由JILA(实验天体物理联合研究所)和美国国家标准与技术研究所(NIST)研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授Jun Ye领导的研究团队与加州大学洛杉矶分校物理和天文系的Eric Hudson教授团队共同开发了一种突破性方法。研究人员开发了薄膜涂层，通过物理气相沉积(PVD)工艺在基底上形成一层约100纳米厚的四氟化钍薄膜。这种方法仅使用微克的钍-229，大幅降低了产品的放射性，同时产生一层致密的活性钍核。研究人员与JILA的合作伙伴共同合作，成功复制了可以使用激光测试潜在核跃迁的薄膜，这种方法使核钟的放射性降低了一千倍，同时显著降低了成本。
薄膜技术的成功应用标志着核钟发展的一个潜在转折点。这种技术在核钟中的应用与半导体和光子集成电路相当，预示着未来的核钟可能更加易于访问和可扩展。Jun Ye教授表示：“核钟的一个关键优势是其便携性，为了充分释放这一潜力，我们需要使系统更紧凑、更便宜、对用户更耐辐射。”
然而，薄膜技术也带来了新的挑战。与晶体中每个钍原子都处于有序环境不同，薄膜中的钍环境产生变化，导致能量跃迁变得不那么一致。面对这一挑战，研究人员与加州大学洛杉矶分校的Eric Hudson教授合作，使用高功率激光器测试核跃迁。通过检测发射的光子，研究人员成功验证了薄膜作为核钟频率参考的潜力。
根据研究结果，研究人员对薄膜核钟所带来的计时精度提高感到非常兴奋。与离子阱相比，固态时钟的原子数量要大得多，有助于提高时钟的稳定性。此外，这些薄膜还可以使核计时变得更加紧凑和便携，从而走出实验室环境，进入电信和导航等实际应用领域。
虽然薄膜核钟的便携性仍然是一个遥远的目标，但这一突破为依赖精确计时的领域带来了前所未有的机遇。研究人员表示，如果他们足够幸运，这种新型核钟甚至可能会揭示有关新物理学的知识。
这项工作得到了陆军研究办公室、空军科学研究办公室、国家科学基金会和国家标准与技术研究所(NIST)的支持。
