突破性進展！UCLA科學家打造更精準、更安全的原子鐘

加州大學洛杉磯分校（UCLA）的物理學家們最近取得了一項重大突破，他們成功開發出一種新型薄膜，大幅減少了稀有元素釷-229的使用量，同時顯著降低了放射性，使其成為原子鐘更安全、更實用的替代材料。這項研究不僅讓原子鐘的精準度達到前所未有的水平，更可能挑戰物理學的某些基本原則。

今年夏天，UCLA的研究團隊成功讓嵌入透明晶體中的釷-229原子核吸收並發射光子，這一成就證實了科學家們數十年來的推測。透過使用雷射激發原子核，研究人員能夠開發出具有超高精準度的原子鐘，這將帶來更精確的時間和重力測量。然而，釷-229摻雜的晶體不僅稀有，還具有放射性，這成為了一個挑戰。

為瞭解決這個問題，UCLA的化學家和物理學家團隊在《自然》期刊上發表了一項研究，他們開發出一種由釷-229前驅體製成的薄膜。這種薄膜不僅大幅減少了釷-229的使用量，其放射性也僅相當於一根香蕉，使其更加安全且實用。更重要的是，這些薄膜仍然能夠實現雷射驅動的核激發，這是核鐘運作的關鍵。

與傳統方法不同，新方法使用了一種乾燥的硝酸鹽前驅材料，將其溶解在超純水中，然後滴入坩堝中。加入氫氟酸後，產生了幾微克的釷-229沉澱物，這些沉澱物被分離出來並加熱，直到其在透明的藍寶石和氟化鎂表面上不均勻地蒸發和凝結。研究人員使用真空紫外雷射系統照射這些目標，成功激發了核狀態，並收集了隨後由原子核發射的光子。

這項研究的共同作者、UCLA化學與生物化學教授Anastassia Alexandrova指出，使用前驅材料——釷氟化物——的一個關鍵優勢在於，所有釷原子核都處於相同的區域性原子環境中，並經歷相同的電場。這使得所有釷原子核表現出相同的激發能量，從而實現了更穩定、更精準的時鐘。

每座時鐘的核心都是一個振盪器，時鐘透過定義振盪器完成一定次數振盪所需的時間來計時。在釷核鐘中，一秒鐘大約是原子核完成2,020,407,300,000,000次激發和弛豫迴圈的時間。這種更高的「滴答」率可以使時鐘更加精準，前提是「滴答」率穩定。這項研究中描述的薄膜為原子核提供了一個穩定的環境，不僅易於構建，還具有製造微型裝置的潛力，這將使核鐘的廣泛應用成為可能。

與現有的基於電子的原子鐘相比，釷基核鐘將更小、更堅固、更便攜且更精準。除了商業應用外，新的核光譜技術還可能揭開宇宙的一些最大謎團。對原子核的敏感測量為科學家們提供了一種新的方式來瞭解其特性及其與能量和環境的相互作用，這將有助於測試一些關於物質、能量以及空間和時間法則的基本理論。

參考文獻：Chuankun Zhang等人，《用於固態核鐘的²²⁹ThF₄薄膜》，2024年12月18日，《自然》，DOI: 10.1038/s41586-024-08256-5