光學核鐘邁向現實：釷-229激光激發取得新突破

直到2024年，科學家才首次在透明基質材料中利用激光成功實現了釷-229的激光激發。

美國與德國的研究人員合作，在光學核鐘領域取得了一項重大突破，首次在非透明基質材料中實現了釷-229的激光激發。根據一份新聞稿，這一進展有望為核激光光譜學開辟一類全新的材料，并催生光學核鐘等技術壯舉。

在日常生活中，時間的測量極為重要。錯過幾個小時可能意味著你午餐或一個重要會議要遲到。當你趕到火車站卻錯過火車時，每一分鐘都顯得彌足珍貴。但是，幾秒鐘的誤差真的無關緊要嗎？

你可能不知道，正是這種秒級的精確測量，確保了你的GPS能告訴你在正確的時間奔跑，也確保了輸送到電網的能源頻率保持穩定。

更進一步，科學家甚至可以通過更精確的時間測量來探究基礎物理學。但是，如何才能精確測量比秒更小的單位呢？這就是原子鐘的用武之地。

原子鐘與核鐘之爭

1873年，詹姆斯·麥克斯韋提出通過測量光波的振動來測量時間。但直到1955年，英國國家物理實驗室才利用銫原子制造出第一臺原子鐘。此后，原子鐘研究迎來熱潮，并催生了秒的新定義。

多年來，科學家利用汞、鍶、鐿等元素建造了原子鐘，推動了衛星導航、電信乃至金融交易精確時間戳等技術的發展。

然而，科學家們已經認識到原子鐘的局限性，其運行依賴于束縛電子的能級。這些能級易受外部電磁場的影響，促使研究人員尋找更好的替代方案。

由于原子核比原子本身小幾個數量級，對外部因素的抵抗力更強，這催生了核鐘的構想。

核鐘的概念非常新穎，直到2024年，研究人員才首次成功利用激光直接激發釷原子。即便如此，針對釷-229的實驗此前也僅在能被148納米激光穿透的透明基質材料中獲得成功。

在非透明材料中的激發

加州大學洛杉磯分校、慕尼黑大學和美因茨大學的研究人員現在成功地在非透明材料中實現了這種激光激發。這一成就使得釷原子得以穩定存在，同時對激光保持不透明，從而拓寬了可用材料的范圍。

"這項成功打開了一扇通往此前難以觸及的核物理領域的大門，"美因茨大學物理研究所的博士后研究員拉爾斯·馮·德·文斯解釋道，他于2017年首次提出了該實驗構想。"我們現在能夠在非透明材料中實現核激發，這開啟了全新的實驗可能——并使我們向實現光學核鐘的目標邁出了重要一步。"

光學核鐘不僅將為我們提供人類歷史上最精確的時間標準，還將進一步提升衛星導航精度，并支持自動駕駛運輸。

除了光學核鐘，這項突破還為其他實驗開辟了新途徑，例如基于激光的IC穆斯堡爾光譜學，使在固態環境中研究原子核成為可能。

新聞稿補充道，科學家還將能夠探索自然界常數是否隨時間變化，并加強對暗物質的搜尋。

這項研究成果已發表在《自然》雜志上。

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