跳到主要内容

搜索内容为网络公开分享链接的搜索索引,本站不存储、不上传任何资源文件,也不对第三方链接内容的合法性与安全性负责。资源仅供个人学习与试看,请于 24 小时内删除。

一搜AI一搜就有:AI 搜索、网盘搜索、磁力搜索就在一搜AI

核光钟首次运行:148纳米激光与1.4微克钍-229

热门资源 纳兰嫣然

一、这台钟的「钟摆」,不在电子层里

10月7日晚,一项关于时间的成果在线发表于《自然》。清华大学物理系副教授丁世谦团队,利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光,以及与合作团队共同研制的掺钍-229氟化钙晶体,把激光频率锁定到核跃迁上,在国际上率先实现了钍-229核光钟的运行(科技日报)。新华社同日的报道给出的定性是:这项工作把量子精密测量从电子跃迁拓展到了原子核跃迁(新华网)。

这句话听起来抽象,换成比喻就好懂了。丁世谦说,原子钟是「听电子的节拍」,利用原子内部电子在特定能级间的跃迁作为频率基准;核光钟则是把「钟摆」放进原子核内部,靠原子核不同能级之间的跃迁来计量时间,相当于「听原子核内部的节拍」(新华网)。

为什么要把钟摆塞进更小的地方?因为原子核的尺度远小于整个原子,受外界电磁环境扰动的影响更小,原理上有望做得比原子光钟更准。清华大学物理系主任、杨振宁高等研究院教授翟荟的评价是:核光钟有望成为新一代时间频率基准,其研制成功是本世纪以来量子精密测量领域的重要突破(新华网)。

二、两道老门槛:148纳米激光,和1.4微克钍-229

核光钟喊了很多年,卡住的从来不是想法,而是材料。据科技日报报道,长期以来的两大难题是:缺少148纳米连续波激光,以及钍-229核素稀缺(科技日报)。

第一道门槛是光源。要精确驱动钍-229原子核内部的能级跃迁,需要一台波长148纳米的连续波真空紫外激光,而这类光源此前没人做出来。丁世谦团队在国际上首次研制成功,堵点才被打开。新华社的报道提到,团队为此历经了4年多攻关(新华网)。

第二道门槛是材料。钍-229本身极其稀缺,而做钟需要把钍掺进氟化钙晶体。在多方协同下,团队用仅有的1.4微克钍-229,一次性生长出毫米尺度的高质量掺钍氟化钙晶体,单次生长所用核素约是欧洲团队的二百分之一(科技日报)。

把光源、晶体、核跃迁光谱测量和频率闭环锁定串起来之后,这套体系才算真的「走」了:从能测到核跃迁,变成能用核跃迁计时。

三、「领先近一个数量级」到底是个什么位置

核光钟不是一家在跑。科技日报明确指出,清华团队的工作与欧洲团队同期完成,清华在国际上率先实现了钍-229核光钟的运行(科技日报)。国家计量院《计量科学与技术》的文献速递,也把这件事概括为「欧洲研究团队和中国研究团队分别研制出世界上首批核光钟」。

性能上,科技日报的口径是:清华团队实现的核光钟秒级稳定度,优于同期欧洲团队近一个数量级(科技日报)。北京市科委、中关村管委会网站转载的北京日报报道给出的说法是「优于同期欧洲团队6倍」(北京日报)。近一个数量级与6倍,是两个官方渠道各自的表述,读者可以一起看。

要理解这个数字的分量,可以对照今年3月的另一条消息:中国科学技术大学团队的锶原子光晶格钟,稳定度和不确定度双双突破10的负19次方量级,运行300亿年误差不超过1秒(央视网)。北京日报的报道则提到,原子光钟的精度已经到了「数千亿年不差一秒」的水平,核光钟的意义是在原理上再往前推一档(北京日报)。

四、它能用在哪:卫星导航、深空探测,还有基本常数

核光钟被看好的一个现实理由,是它固态的形态。掺钍晶体是一块固体,这让固态核光钟具备潜在的小型化和工程化优势,有望为卫星导航、深空探测等场景里的高精度时间频率需求提供实用选择(新华网)。

这个方向和日常生活并不远。央视网在介绍光钟时给过一组参照:北斗三号卫星搭载国产铷原子钟,靠测量光的传播时间推算距离,百万分之一秒的偏差对应约300米的距离误差(央视网)。钟走得准,定位才敢往厘米级走。

另一半意义在基础物理。新华社的报道提到,钍-229核跃迁对基本常数变化等新物理效应具有显著增强的灵敏度,因此核光钟还可以为检验基本物理规律提供新的精密探测平台(新华网)。换句话说,它既是钟,也是一台探针。

五、中国计时版图上的一个新坐标

把今年几条线放在一起看会更清楚:年初有光钟校准国际标准时间实现零的突破,3月有锶原子光晶格钟把稳定度推到10的负19次方量级,10月又多了核光钟。从微波原子钟、光学原子钟到核光钟,时间基准的刻度在一层层往物理更深处走。

当然,实验室里的走起来和工程上的用起来之间还有距离:目前的核光钟依然依赖苛刻的实验条件,稳定性提升也刚刚开始。但完整技术体系的意义在于,从光源到晶体、从光谱到闭环的每一环都跑通了,后面才有继续优化的余地。

三个可以带走的判断

  • 这是一次从0到1的路线打通:国际上首次实现钍-229核光钟运行,测量对象从电子跃迁换成了原子核跃迁。
  • 领先幅度有明确数字,但表述有口径差异:科技日报称秒级稳定度优于同期欧洲团队近一个数量级,北京日报称优于6倍。
  • 短期别指望它取代原子钟:它更像新一代时间频率基准的候选,同时是检验基本物理规律的新平台。

参考来源:新华网、科技日报、人民网科普、北京日报、光明网、央视网。

发表评论

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注