一个古老的珠宝匠技巧，或能改变核钟计时

尽管此前在核钟研究方面取得突破，但仍存在严重局限：核钟所需的特定同位素钍-229仅存在于武器级铀中，科学家估计全球用于时钟研究的该材料仅约40克，因此效率成为关键挑战。

一种更简单的方法大幅减少钍用量
由加州大学洛杉矶分校物理学家埃里克·哈德森领导的国际团队现已找到突破这一瓶颈的方法。该团队发现，只需使用以往所需钍量的极小一部分，就能重现之前的研究结果。他们在《自然》杂志上发表的新方法简单且成本低廉，这使核钟未来有可能变得足够小巧和经济实惠，从而实现广泛应用。

若能实现，这些核钟可能会走出实验室，取代电网、手机信号塔和GPS卫星中的计时系统。它们甚至可能缩小到可以放入手机或手表中。这项技术还能在GPS信号无法覆盖的地方实现导航，包括深空和潜艇等水下环境。

十五年研究被简单技术取代
哈德森团队花了15年时间研发出特殊的掺钍氟化物晶体，才取得了最初的成功。在那些实验中，钍-229原子与氟以精心设计的结构结合。由此产生的晶体既能稳定钍，又对激发原子核所需的激光保持透明。然而，这种工艺极其困难，且生产晶体需要相对大量的钍。

“我们之所以做了所有制造晶体的工作，是因为我们认为晶体必须透明，激光才能到达钍核。制造这些晶体真的很有挑战性，耗时极长，而且我们能使用的最小钍量是1毫克——在全球仅约40克可用的情况下，这已经很多了，”第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后研究员里基·埃尔韦尔说。他因去年的突破获得了2025年黛博拉·金原子、分子或光学物理杰出博士论文研究奖。

借鉴珠宝制作方法
在这项新研究中，研究人员采用了一种截然不同的方法。他们利用电镀技术——一种常用于珠宝制作的技术，在不锈钢上沉积了一层极薄的钍。电镀技术于19世纪初发明，依靠电流使金属原子通过导电溶液，并在一个表面上覆盖另一种金属。例如，金或银常被电镀在价值较低的金属上。

“我们花了五年时间才弄明白如何生长氟化物晶体，而现在我们发现，用一种最古老的工业技术就能得到同样的结果，且钍用量减少了1000倍。此外，成品本质上是一小块钢，比易碎的晶体坚固得多，”哈德森说。

重新思考核激发原理
新系统的成功源于意识到一个长期存在的假设是错误的。科学家们曾认为，钍需要嵌入透明材料中，这样激光才能到达并激发原子核。该团队发现，激发原子核以观察其能量跃迁比之前想象的要容易得多。

“所有人一直都认为，为了激发并观察核跃迁，钍需要嵌入对激发原子核所用激光透明的材料中。在这项研究中，我们证明这根本不是真的，”哈德森说。“我们仍然可以将足够的光射入这些不透明材料中，以激发表面附近的原子核，然后，它们不像在晶体等透明材料中那样发射光子，而是发射电子——只需监测电流就能检测到这些电子，这在实验室里几乎是最简单的操作！”

核钟在实验室之外的重要意义
除了改善通信网络、雷达系统和电网同步外，超精确时钟还能解决一个重大国家安全问题：无需GPS的导航。如果恶意行为者——甚至电磁风暴——干扰了足够多的卫星，基于GPS的导航就会失效。潜艇在水下时已经依赖原子钟，但现有时钟会随时间漂移，迫使潜艇在数周后浮出水面确认位置。

核钟对环境干扰的敏感性低得多，这使它们在需要长期保持准确性且无外部信号的情况下特别有价值。

“加州大学洛杉矶分校团队的方法可能有助于降低未来钍基核钟的成本和复杂性，”波音技术创新公司光学时钟负责人马坎·莫哈格说。“这样的创新可能有助于实现更紧凑、高稳定性的计时，与多个航空航天应用相关。”

未来太空探索的基础
更精确的时钟对长途太空旅行也至关重要，因为精确计时是导航和通信的基础。

“由埃里克·哈德森领导的加州大学洛杉矶分校团队在探索钍核跃迁的可行方法方面做了出色的工作——这项工作持续了十多年。这项研究为可行的钍钟开辟了道路，”美国宇航局喷气推进实验室高性能原子钟项目负责人埃里克·伯特说，他未参与这项研究。“在我看来，钍核钟还可能彻底改变可用时钟进行的基础物理测量，例如对爱因斯坦相对论的测试。由于其对环境扰动的固有低敏感性，未来的钍钟也可能有助于建立太阳系范围的时间尺度，这对在其他行星建立人类永久存在至关重要。”

研究合作与资金
这项研究得到了美国国家科学基金会的支持，参与的物理学家来自曼彻斯特大学、内华达大学里诺分校、洛斯阿拉莫斯国家实验室、齐格勒分析公司、美因茨约翰内斯·古腾堡大学和慕尼黑路德维希-马克西米利安大学。