隨著科學家們對釷-229核光學鍾的探索，一項革命性的計時突破可能即將出現，這項創新可能會超過今天的原子鐘。

通過用鐳射操縱核量子態，研究人員正在突破時間測量精度和穩定性的界限。儘管這段旅程已經跨越了幾十年，主要的技術障礙仍然存在，但最近的實驗里程碑使這個未來主義的時鐘更接近現實。如果成功，它將重塑我們對時間和宇宙本身的理解。

挑戰時間的極限

在《國家科學評論》最近發表的一篇展望文章中，中國科學院精密測量科學技術創新研究院的童欣博士和他的同事們探索了基於釷-229（229Th）開發核光學時鐘的令人興奮的潛力和重大挑戰。

時間和頻率是物理學中最能精確測量的物理量。今天，原子鐘，特別是原子光鐘，為精確度設定了標準。但釷-229核光學鍾可以進一步提高精度。

核時鐘的量子邊緣

釷-229的非凡之處在於，它是已知的唯一一種核能級低到可以用鐳射接近的核素。這使科學家能夠直接操縱核量子態。由於原子核比原子小得多，它受外部影響的影響要小得多。它的量子態也很好地分離，周圍的電子有助於保護它免受電磁干擾。這些特點使釷-229核光學鍾成為實現前所未有的計時精度的有希望的候選者。

這項研究始於半個世紀前。科學家們首先確定了229Th的低激發核態，為進一步的研究奠定了基礎。自那以後，出現了重要的里程碑。2024年，實現了229Th核躍遷的直接激光激發。來自維也納工業大學（TU）、加州大學洛杉磯分校（UCLA）和實驗室天體物理聯合研究所（JILA）的不同研究團隊使用摻雜晶體和薄膜等各種材料進行了實驗。這些實驗逐漸提高了對核轉變的理解和測量能力。

核時鐘發展的持續挑戰

儘管取得了這些顯著成就，但仍存在許多挑戰。固態環境中的核轉變對溫度相關變化高度敏感。229Th同位素的稀缺、開發特定高功率、窄線寬雷射器的困難、對相互作用機制的不完全理解以及缺乏閉環操作都是主要障礙。

然而，克服這些挑戰至關重要。釷核鐘的成功實現將徹底改變計時，併為基礎物理研究開闢新的領域。它可能導致光學時鐘系統的範式轉變，從依賴電子躍遷到依賴核躍遷，並提供對宇宙基本定律的更深入瞭解。