随着科学家们对钍-229核光学钟的探索，一项革命性的计时突破可能即将出现，这项创新可能会超过今天的原子钟。
通过用激光操纵核量子态，研究人员正在突破时间测量精度和稳定性的界限。尽管这段旅程已经跨越了几十年，主要的技术障碍仍然存在，但最近的实验里程碑使这个未来主义的时钟更接近现实。如果成功，它将重塑我们对时间和宇宙本身的理解。
挑战时间的极限
在《国家科学评论》最近发表的一篇展望文章中，中国科学院精密测量科学技术创新研究院的童欣博士和他的同事们探索了基于钍-229（229Th）开发核光学时钟的令人兴奋的潜力和重大挑战。
时间和频率是物理学中最能精确测量的物理量。今天，原子钟，特别是原子光钟，为精确度设定了标准。但钍-229核光学钟可以进一步提高精度。
核时钟的量子边缘
钍-229的非凡之处在于，它是已知的唯一一种核能级低到可以用激光接近的核素。这使科学家能够直接操纵核量子态。由于原子核比原子小得多，它受外部影响的影响要小得多。它的量子态也很好地分离，周围的电子有助于保护它免受电磁干扰。这些特点使钍-229核光学钟成为实现前所未有的计时精度的有希望的候选者。
这项研究始于半个世纪前。科学家们首先确定了229Th的低激发核态，为进一步的研究奠定了基础。自那以后，出现了重要的里程碑。2024年，实现了229Th核跃迁的直接激光激发。来自维也纳工业大学（TU）、加州大学洛杉矶分校（UCLA）和实验室天体物理联合研究所（JILA）的不同研究团队使用掺杂晶体和薄膜等各种材料进行了实验。这些实验逐渐提高了对核转变的理解和测量能力。
核时钟发展的持续挑战
尽管取得了这些显著成就，但仍存在许多挑战。固态环境中的核转变对温度相关变化高度敏感。229Th同位素的稀缺、开发特定高功率、窄线宽激光器的困难、对相互作用机制的不完全理解以及缺乏闭环操作都是主要障碍。
然而，克服这些挑战至关重要。钍核钟的成功实现将彻底改变计时，并为基础物理研究开辟新的领域。它可能导致光学时钟系统的范式转变，从依赖电子跃迁到依赖核跃迁，并提供对宇宙基本定律的更深入了解。
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