- 維也納科技大學研發出新型核時鐘，精確度提高十倍。
- 原子時鐘依賴於電子能量狀態的跳躍來追蹤時間。
- 新核時鐘利用核內中子的能量翻轉，減少對外部系統的依賴。
- 研究團隊花費超過十五年時間完善晶體配方，確保釷-229 的位置正確。
維也納科技大學的科學家發現了一個完美的晶體位置，可以容納釷-229 原子，幫助建立一個比現有時鐘精確十倍的核時鐘，使其成為有史以來最準確的核時鐘。這聽起來可能像是一次偶然的發現，但研究人員花了十五年時間僅僅是為了建立這個晶體。原子時鐘通過測量電子在激光光照射下從一個能量狀態跳躍到另一個能量狀態的方式來追蹤時間，是我們現代生活的基石。從我們在應用程式上用來尋找目的地的衞星導航系統，到追蹤全球發生的金融交易，原子時鐘無處不在，即使我們可能並不每次都與它們互動。
核時鐘的優勢與挑戰
然而，儘管原子時鐘的準確性極高，但它們也非常脆弱。為了保護它們免受磁場或電場的幹擾，科學家們必須專門設置大型真空腔和屏蔽裝置，這些裝置佔用大量實驗室空間。為了避免這種情況，科學家們現在正在建立核時鐘，深入到原子內部，利用核內中子的能量翻轉來追蹤時間。
原子的核被其電子雲包圍，這為雜散的電場和磁場提供了自然屏障，減少對外部系統的依賴。科學家們使用材料或晶體來操作它們，並在室温下進行，進一步促進時鐘本身的小型化。此外，通過使用更高頻率的紫外光，科學家們能夠創造更大的能量跳躍，並更頻繁地進行測量，從而以更細的增量追蹤時間，提高了精確度。然而，製造這些時鐘的問題在於翻轉中子需要伽馬射線激光，而這種激光尚未研製出來。
相反，他們使用紫外激光來翻轉一種原子量為 229 的釷同位素中的中子。為了製造核時鐘，研究人員需要建立一個能夠容納釷-229 原子的晶體，並去除時鐘運作所需的真空腔，這使得在更小的設備中使用這些時鐘變得可行。
釷-229 的完美位置
一個晶體看起來可能僅僅是一塊玻璃，但建立一個具有完美位置的正確晶體相當困難。維也納科技大學的團隊在物理學家 Thorsten Schumm 的帶領下，花費超過 15 年的時間來完善可以用於核時鐘的晶體配方。Schumm 將晶體製作過程比作烹飪或甚至煉金術，因為需要不斷嘗試和調整幾個要素以達到預期的結果。通過多年的實驗，團隊瞭解到，如果他們製作的氟化鈣晶體內部位置不佳地容納釷-229，則晶體會產生不均勻的電場，幹擾時鐘的計時。
為了確定哪個位置最適合將釷-229 放置在晶體內，研究人員使用紫外激光照射 60 秒，然後關閉激光並等待五分鐘，以便原子核發出光回到較低的能量狀態。研究人員重複了不同頻率的實驗，發現釷原子可以在晶體晶格內的四個位置上安置。其中三個位置在不同波長下返回激光光，而這表明它們周圍存在不均勻的電場。第四個位置則僅以一種波長返回激光光，這使其成為核時鐘的完美位置。
研究人員利用這一點構建了他們的核時鐘的第一個原型，最終可以適合於一個小晶片。到今年年底，團隊預計他們的核時鐘將提高至少三個數量級的精確度，但主要重點在於小型化時鐘，以便能夠在現實世界場景中儘早部署。研究結果已發表在《科學》期刊上。
新型核時鐘的潛在影響
新型核時鐘的研發標誌著時間測量技術的一次重大突破，尤其是在精確度和小型化方面。這項技術不僅能提升衛星導航系統和金融交易的準確性，還可能在科學研究和其他應用中發揮重要作用。隨著核時鐘的進一步發展，未來有望在各種現實世界場景中得到廣泛應用，徹底改變我們對時間的理解和利用。