核鐘通過(guò)測量原子核內的能量躍遷來(lái)實(shí)現超精確計時(shí)，這些核躍遷受外力影響較小，因此具有實(shí)現無(wú)與倫比計時(shí)精度的潛力。然而，傳統核鐘的制造一直面臨諸多挑戰，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)驗室在光晶格鐘領(lǐng)域做出了開(kāi)創(chuàng )性貢獻。為了建立核鐘裝置，該團隊與維也納大學(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)驗天體物理聯(lián)合研究所)和美國國家標準與技術(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)導的研究團隊與加州大學(xué)洛杉磯分校物理和天文系的Eric Hudson教授團隊共同開(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，成功復制了可以使用激光測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(zhù)降低了成本。
薄膜技術(shù)的成功應用標志著(zhù)核鐘發(fā)展的一個(gè)潛在轉折點(diǎn)。這種技術(shù)在核鐘中的應用與半導體和光子集成電路相當，預示著(zhù)未來(lái)的核鐘可能更加易于訪(fǎng)問(wèn)和可擴展。Jun Ye教授表示：“核鐘的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是其便攜性，為了充分釋放這一潛力，我們需要使系統更緊湊、更便宜、對用戶(hù)更耐輻射。”
然而，薄膜技術(shù)也帶來(lái)了新的挑戰。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，導致能量躍遷變得不那么一致。面對這一挑戰，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試核躍遷。通過(guò)檢測發(fā)射的光子，研究人員成功驗證了薄膜作為核鐘頻率參考的潛力。
根據研究結果，研究人員對薄膜核鐘所帶來(lái)的計時(shí)精度提高感到非常興奮。與離子阱相比，固態(tài)時(shí)鐘的原子數量要大得多，有助于提高時(shí)鐘的穩定性。此外，這些薄膜還可以使核計時(shí)變得更加緊湊和便攜，從而走出實(shí)驗室環(huán)境，進(jìn)入電信和導航等實(shí)際應用領(lǐng)域。
雖然薄膜核鐘的便攜性仍然是一個(gè)遙遠的目標，但這一突破為依賴(lài)精確計時(shí)的領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的機遇。研究人員表示，如果他們足夠幸運，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。
這項工作得到了陸軍研究辦公室、空軍科學(xué)研究辦公室、國家科學(xué)基金會(huì )和國家標準與技術(shù)研究所(NIST)的支持。
