核鐘通過(guò)測(cè)量原子核內(nèi)的能量躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)超精確計(jì)時(shí)，這些核躍遷受外力影響較小，因此具有實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比計(jì)時(shí)精度的潛力。然而，傳統(tǒng)核鐘的制造一直面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是釷-229同位素的稀有性、放射性和高昂成本。
幾十年來(lái)，JILA(實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所)一直處于原子和光鐘研究的前沿，科羅拉多大學(xué)博爾德分校物理學(xué)教授Jun Ye教授的實(shí)驗(yàn)室在光晶格鐘領(lǐng)域做出了開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。為了建立核鐘裝置，該團(tuán)隊(duì)與維也納大學(xué)的研究人員合作，使用放射性釷-229晶體。然而，傳統(tǒng)方法需要更多的放射性物質(zhì)，增加了輻射安全性和成本考慮。
為了解決這些問(wèn)題，由JILA(實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)研究員、科羅拉多大學(xué)博爾德分校物理學(xué)教授Jun Ye領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)洛杉磯分校物理和天文系的Eric Hudson教授團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)了一種突破性方法。研究人員開(kāi)發(fā)了薄膜涂層，通過(guò)物理氣相沉積(PVD)工藝在基底上形成一層約100納米厚的四氟化釷薄膜。這種方法僅使用微克的釷-229，大幅降低了產(chǎn)品的放射性，同時(shí)產(chǎn)生一層致密的活性釷核。研究人員與JILA的合作伙伴共同合作，成功復(fù)制了可以使用激光測(cè)試潛在核躍遷的薄膜，這種方法使核鐘的放射性降低了一千倍，同時(shí)顯著降低了成本。
薄膜技術(shù)的成功應(yīng)用標(biāo)志著核鐘發(fā)展的一個(gè)潛在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這種技術(shù)在核鐘中的應(yīng)用與半導(dǎo)體和光子集成電路相當(dāng)，預(yù)示著未來(lái)的核鐘可能更加易于訪問(wèn)和可擴(kuò)展。Jun Ye教授表示：“核鐘的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其便攜性，為了充分釋放這一潛力，我們需要使系統(tǒng)更緊湊、更便宜、對(duì)用戶更耐輻射。”
然而，薄膜技術(shù)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。與晶體中每個(gè)釷原子都處于有序環(huán)境不同，薄膜中的釷環(huán)境產(chǎn)生變化，導(dǎo)致能量躍遷變得不那么一致。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員與加州大學(xué)洛杉磯分校的Eric Hudson教授合作，使用高功率激光器測(cè)試核躍遷。通過(guò)檢測(cè)發(fā)射的光子，研究人員成功驗(yàn)證了薄膜作為核鐘頻率參考的潛力。
根據(jù)研究結(jié)果，研究人員對(duì)薄膜核鐘所帶來(lái)的計(jì)時(shí)精度提高感到非常興奮。與離子阱相比，固態(tài)時(shí)鐘的原子數(shù)量要大得多，有助于提高時(shí)鐘的穩(wěn)定性。此外，這些薄膜還可以使核計(jì)時(shí)變得更加緊湊和便攜，從而走出實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，進(jìn)入電信和導(dǎo)航等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。
雖然薄膜核鐘的便攜性仍然是一個(gè)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)，但這一突破為依賴精確計(jì)時(shí)的領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。研究人員表示，如果他們足夠幸運(yùn)，這種新型核鐘甚至可能會(huì)揭示有關(guān)新物理學(xué)的知識(shí)。
這項(xiàng)工作得到了陸軍研究辦公室、空軍科學(xué)研究辦公室、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的支持。
