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計時技術是現代社會的支柱，從我們日常使用的時鐘和手表，到支撐手機、汽車GPS的系統，精確的時間測量無處不在。通信網絡、電力系統和金融交易等關鍵領域，都依賴于高度精準的時間同步。

今年早些時候，物理學家在時間測量領域取得了一項重要突破：他們成功讓嵌在晶體中的釷-229原子核像原子中的電子那樣吸收和發射光子，在精確計時方面取得了長足的進步。（詳見）然而，由于釷-229的稀缺性和放射性，使得高濃度的釷-229摻雜晶體的制造和應用面臨諸多挑戰。

在最近發表在《自然》雜志的一項研究中，研究人員通過創新的制造工藝顯著減少了釷-229的用量，同時降低了放射性和成本。這一突破不僅有望使新一代核鐘更加精準，還可能實現更小型、更便攜的核鐘設計，并為量子光學研究打開新大門。

精確計時

計時技術的演變貫穿了人類社會的發展歷程。從新石器時代起，人們就已經懂得觀察并利用天光來標記時光的輪轉。在愛爾蘭紐格萊奇遺跡的入口上方，有一個特殊的開口設計，能在一年中天光最短的日子，也就是12月21日冬至前后，將陽光引入通道深處的墓室。

到了公元前2000年左右，水鐘成了最古老的計時工具之一。它通過調節流入或流出容器的水流巧妙地記錄時間。到了13世紀晚期，機械鐘的問世，為時間測量帶來了革命性突破

進入現代社會，我們對計時精確度的要求越來越高。秒已經成為計時的核心單位。1967年之前，秒被定義為一天的1/86400（即24時×60分×60秒 = 86400）。

后來，國際單位制改變了這一定義，將秒和銫-133原子的躍遷頻率聯系在了一起：在一秒中，銫-133的電子的特定躍遷會發生9192631770次，這一頻率值可以表述為9192631770赫茲（Hz），等同于9192631770秒?1（s?1）。

這個定義的核心就是躍遷頻率。當原子中的電子吸收能量時，會躍遷到更高的能級，經過一段時間后又會釋放能量回到低能態。類似于喝下一杯咖啡后，你突然短暫地獲得了能量，直至咖啡因的作用消失。而躍遷頻率就是指在特定時間段內預計發生躍遷的次數。這種頻率可以用來定義并測量時間，也是制造高精度原子鐘的基礎。

目前，銫-133的躍遷頻率提供了最精確的“秒”的定義。但是，科學家相信這一定義仍有改進的空間。

測量更高頻率

簡單來說，躍遷頻率越高，單次的誤讀對總精度的影響就越小。可以這么理解，如果一種計時每秒發生50次躍遷，另一種每秒發生5000次。那么每錯一次造成的準確性損失，前者就將是后者的100倍。

銫-133的躍遷頻率位于電磁波譜中的微波范圍，而微波頻率低于可見光的頻率。目前，科學家們正通過探索發生在原子核內的更高頻率的核躍遷來提高計時精度。例如，有研究通過使用躍遷頻率高于銫的鍶元素（其躍遷頻率處于可見光范圍）成功進行了相關測量。類似的研究方向為開發超越原子鐘的核鐘技術開辟了新的道路。

然而，這項技術面臨不小的挑戰，因為對大多數原子而言，改變核的能態需要極高的能量，遠超現有的技術水平。但在今年9月發表的論文中，科學家以空前的精確度，觀測到了相對較低能的釷-229核躍遷，攻克了創建釷核鐘的一項關鍵難題。

進一步改進

但這里還有個棘手的問題：摻雜釷-229的晶體非常少見，并且具有放射性。在最新的研究中，團隊或許已經探索出了解決之道。

他們改變了制造方法，開發出一種由釷-229前體制成的薄膜。這種方法并不同于將純釷原子嵌入氟基晶體中，而是用溶解在超純水中的釷-229干硝酸鹽母材料，注入坩堝。加入氟化氫后，就會產生幾微克的釷-229沉淀，再從水中分離出來進行加熱，直到它蒸發并不均勻地凝結在透明藍寶石和氟化鎂表面。

中間的深紫色圓圈是一個釷薄膜靶。（圖/Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado）

研究人員用真空紫外線激光系統激發薄膜靶中的核躍遷，隨后收集核發出的光子。這樣一來，所有釷核都處于相同的局域原子環境中，感受到相同的電場。所有釷都有相同的激發能量，就能讓時鐘更穩定。

更重要的是，這種薄膜需要的釷-229要少得多，放射性和香蕉一樣低。薄膜的制造也相對簡單，生產規模易于擴展，這意味著它能降低成本，使核鐘更便宜，進而得到更廣泛的應用。

一份氟化釷薄膜樣本。（圖/ Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado）

研究人員表示，現有的原子鐘通常有一間房那么大，需要真空室來捕獲原子，還要相關的冷卻設備。而未來的釷核鐘裝置的體積有望大幅縮小，變得更為便攜，且與此同時還能提供更精確、更穩定的計時結果。

除了商業應用之外，高精度計時的出現還可以幫助科學家研究極快的過程，對時間和引力進行精確測量，驗證與物質、能量以及空間和時間有關的基本定律。

#創作團隊：

撰文：Umiha

排版：雯雯

#參考來源：

https://theconversation.com/why-timekeeping-is-now-on-the-verge-of-a-giant-leap-forward-in-accuracy-238744

https://newsroom.ucla.edu/releases/thorium-film-could-replace-crystals-in-atomic-clocks-of-the-near-future

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08256-5

#圖片來源：

封面圖&首圖：rawpixel