- 中国的核时钟稳定性超越全球首两款装置六倍。
- 清华团队的测量结果显示信号不依赖特殊晶体。
- 核时钟的优势在于减少外部干扰，提高准确性。
- 研究人员面临材料和工程挑战，需提升核时钟性能。
中国的实验性核时钟已成为全球首两个运行装置中更为稳定的选择。清华大学的研究人员发现，他们的时钟运行稳定性约为维也纳竞争系统的六倍。两队的时钟均以被困于晶体中的钍-229 原子核为基础，该方法将计时机制由电子转移至原子核。这一结果标志着精密计时新类别的又一步进展。核时钟还可能为物理学家提供一种检验自然基本定律的新方式。
清华团队发现，分别制作的晶体产生了几乎相同的时钟信号。他们的测量结果在每十万亿中大约相符三个部分。该发现表明信号并不依赖于某一种特殊晶体。该结果亦与科罗拉多州 JILA 研究人员的早期测量结果相符。负责清华研究的丁士谦表示，该结果增强了可重复核时钟的论据。研究人员最终有可能将这项技术转化为实用的时间标准。
核时钟的稳定性与信号特性
然而，该时钟仍未达到最佳原子时钟所实现的稳定性。原子时钟在过去 70 年中定义了精确的计时标准。原子时钟跟踪电子能量状态的变化，而核时钟则监测原子核内部的跃迁。这一差异可能显得尤为重要，因为电子占据的区域范围远大于原子核，而原子核则小得多且更为紧凑。
钍-229 为核计时提供了一个罕见的优势。其原子核能够对紫外光作出反应，并且其能量可以用当前激光达到。大多数原子核需要更高的能量才能实现类似的跃迁。科学家们在 2024 年成功利用激光驱动钍-229。清华系统通过将锗蒸气加热至 1,112 华氏度来生成紫外光。研究人员将光束导向一个小型的钍掺杂晶体，该晶体的大小小于一粒米，但却包含约一千万亿个钍原子核。
维也纳核时钟装置则使用了一个包含约 200 倍于钍原子核的晶体。研究人员通过 6 英里的光纤将其信号与原子时钟进行比较。维也纳的研究人员发现，时钟的信号会根据激光通过晶体的位置轻微变化。这种波动导致该装置每天保持略微不同的时间。改进晶体可能有助于研究人员减少这一问题。
核时钟的潜在应用与挑战
核时钟能够探测物理现象，因为原子核的较小规模可能减少来自外部电场和磁场的干扰。较低的干扰最终可能帮助核时钟实现极高的准确性。核时钟还能帮助研究人员调查暗物质。物理学家可以比较核时钟和原子时钟，以探测基本物理常数的微小变化。维也纳的研究人员已经在一项暗物质搜寻中使用了他们的时钟，该实验未产生暗物质的证据。
研究人员仍面临重大材料和工程挑战。钍-229 极为稀缺，限制了新晶体设计的实验。更好的晶体可以更均匀地分布钍并减少内部缺陷。更强大的激光也可以改善时钟性能。目前，原子时钟支持的系统依赖于极其精确的计时，包括卫星导航。核时钟需要显著提升性能，才能挑战这些已建立的系统。研究人员最终希望将核时钟推向专业实验室之外，紧凑的设计可以使极高的计时精度适用于更广泛的应用。
该研究发表于《自然》期刊。
核时钟技术的未来发展与挑战
中国的核时钟技术显示出显著的稳定性，这不仅推动了精密计时的发展，还可能改变物理学的研究方式。由于核时钟能够减少外部干扰，未来有潜力在暗物质研究和基本物理常数的检验中发挥重要作用。然而，钍-229的稀缺性以及材料和工程挑战仍然是主要障碍。若能克服这些挑战，核时钟可能会在更广泛的应用中取代传统的原子时钟，带来新的技术突破。