《自然》重磅！剛剛，美國原子核鐘突破！全球僅存40克釷？夠了

全球庫存僅約40克、比鉆石珍貴無數(shù)倍的戰(zhàn)略物資，科學家曾以為要把它像供奉“睡美人”一樣封印在完美晶體中才能喚醒，結果剛剛被證實：只要像地攤上“鍍金首飾”那樣簡單的工藝，用掉原來千分之一的量，就能制造出重新定義時間的終極神器！

這是剛剛發(fā)生的物理學地震。

2025年12月10日，頂級學術期刊《自然》（Nature）刊登了一項由美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）物理學家Eric Hudson領銜的突破性研究 。他們用一種近乎“粗暴”的極簡方式，粉碎了學界長達50年的教條。他們證明，制造那個傳說中能讓GPS導航精細度提升幾個數(shù)量級的“核光鐘”，根本不需要昂貴脆弱的晶體，一塊不銹鋼片、一點點電流，就能開啟人類計時的新紀元。

要把故事講清楚，我們得先聊聊主角：釷-229（Thorium-229）。

在原子鐘的世界里，釷-229是當之無愧的皇冠明珠。普通原子鐘（像銫原子鐘）用的是電子的躍遷，而“核光鐘”用的是原子核的躍遷。后者受外界干擾極小，理論精度能把現(xiàn)在的原子鐘按在地上摩擦。

但這里有個巨大的Bug：釷-229太少了。

它不存在于自然界，只能從冷戰(zhàn)時期遺留的武器級鈾-233的衰變中提取。據(jù)估算，全世界目前的可用庫存大約只有40克。

按照以前的劇本，科學家們認為要把釷-229嵌入到一種特殊的、極其純凈的氟化晶體中。為了讓激光能穿透晶體去“撓癢癢”原子核，這塊晶體必須絕對透明。這就像是要為一位嬌貴的公主建造一座完美的水晶宮殿。

Hudson教授的團隊之前花了整整15年去研究怎么長這個晶體，結果發(fā)現(xiàn)這玩意兒不僅難長，還特別“吃”原料——做一個樣品至少要廢掉1毫克的釷。

對于只有40克庫存的人類來說，這簡直是在燒錢，哦不，是在燒掉最后的希望啊。

直到現(xiàn)在。

在這篇最新的論文中，Hudson團隊提出了一個讓所有同行大跌眼鏡的思路：如果公主不需要住在水晶宮里呢？

他們放棄了高大上的晶體生長，轉身撿起了19世紀就發(fā)明的工業(yè)老手藝——電鍍。

是的，就是那個用來給便宜首飾鍍金、防止汽車生銹的技術。研究人員直接拿了一塊不銹鋼圓盤，把釷-229配成溶液，通上電，在鋼片表面鍍了一層極其微薄的二氧化釷（229ThO2）。

這層膜有多薄？大約10納米。

這波操作簡直是把“貴族”拉進了“鐵匠鋪”。但就是這個像硬幣一樣的金屬片，不僅堅固耐用，而且用掉的釷-229只有原來晶體方案的千分之一

你可能會問：不透明的二氧化釷和不銹鋼，激光怎么打進去？信號怎么讀出來？

這正是這項研究最“雞賊”（褒義）的地方。

以前科學家死磕透明晶體，是因為他們想看到原子核被激發(fā)后發(fā)出的“光”（熒光）。但實際上，當激光打在不透明的二氧化釷表面時，雖然光透不進去，但表層的原子核還是會被擊中。

當這些原子核興奮起來后，它們并不一定非要發(fā)光。在特定條件下，它們會把能量這一腳“踢”給身邊的電子，讓電子飛出來。這個過程在物理學上叫“內轉換”（Internal Conversion, IC）。

Hudson團隊并沒有去捕捉微弱的光，而是直接在旁邊放了個探測器，去抓這些飛出來的電子（電流）。

這一招“偷天換日”直接打通了任督二脈：

1、不再需要透明：材料黑乎乎的也沒關系，只要電子能飛出來就行。這直接讓帶隙較小的二氧化釷（約6 eV）成為了完美的宿主，打破了之前必須用寬帶隙材料（>8.4 eV）的死規(guī)矩。

2、速度極快：發(fā)光的輻射衰變很慢，但這種“內轉換”發(fā)射電子的速度比發(fā)光快了1億倍！這意味著時鐘的“嘀嗒”聲更密集，測量更穩(wěn)。

3、設備極簡：不需要復雜的光學透鏡組去收集光，只需要檢測電流。這意味著未來的核光鐘可能像芯片一樣小。

這套“土法煉鋼”造出來的設備，性能如何？

數(shù)據(jù)顯示，激光成功激發(fā)了釷-229核異構體，不僅測出了極其精確的躍遷頻率——2,020,407.5 GHz，還測得內轉換壽命約為12.3微秒

更可怕的是它的潛力。基于此技術制造的核光鐘，其預測的不穩(wěn)定性在1秒內低至2×10^-18。

這是什么概念？如果不加干預，這塊表走上幾百億年（比宇宙年齡還長），誤差可能還不到一秒。

這項技術的突破，意味著我們不用再擔心那區(qū)區(qū)40克的釷不夠用了。用這一招，全世界的科學家都能造得起核光鐘。

當這種只有芯片大小、不需要接收衛(wèi)星信號就能精準計時的“黑科技”被裝進潛艇、深空探測器甚至你的手機里時：

• GPS被干擾？不存在的，潛艇在深海潛伏幾個月，位置誤差依然是毫米級。
• 物理學大廈要塌？這種鐘對引力波、暗物質極其敏感，它可能會成為人類探測宇宙最幽深秘密的“聽診器”。

正如Hudson教授所說，他們把一個需要把釷當“公主”供著的嬌貴實驗，變成了一塊可以在工業(yè)流水線上生產(chǎn)的堅硬鋼片。

有時候，科學的最高境界，就是把最復雜的問題，變得像鍍金戒指一樣簡單。

參考文獻：

Elwell, R., et al. "Laser-based conversion electron M?ssbauer spectroscopy of229ThO2."Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-09776-4.

"Old jeweler's trick could unlock next-generation nuclear clocks." Phys.org, Dec 10, 2025.

"Old jeweler’s method may unlock compact thorium nuclear clocks for GPS-free navigation."Innovation News Network, Dec 10, 2025.