科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

為了實(shí)現(xiàn)超精確計(jì)時(shí)，科學(xué)家開始研究如何建造核鐘。然而一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是，核鐘里使用的同位素之一——釷-229非常稀有。它具有放射性，而且提取成本高昂。據(jù)18日《自然》雜志報(bào)道，美國科學(xué)家找到了一種解決該問題的方法。他們開發(fā)出一種由釷-229前驅(qū)體制成的薄膜，使所需的釷-229劑量大大減少，有望將核鐘的放射性降低至原來的千分之一，放射性水平與香蕉相當(dāng)（香蕉天然含有放射性元素鉀-40，一根香蕉的輻射量約為0.1 微西弗（μSv），這個(gè)劑量遠(yuǎn)低于人類日常暴露的輻射水平），且更具成本效益。

今年夏天，美國一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)成功將釷-229原子核嵌入透明晶體中，使其像原子中的電子一樣吸收和發(fā)射光子。當(dāng)激光束照射到透明晶體中時(shí)，原子鐘會(huì)激發(fā)嵌入在透明晶體中的釷-229原子核，以此產(chǎn)生最精確的時(shí)間和重力測(cè)量值。

現(xiàn)在，一個(gè)由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合量子研究所科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，制作了一種四氟化釷（ThF4）薄膜，其表現(xiàn)出與晶體相同的核激發(fā)。

新方法不是將純釷原子嵌入氟基晶體中，而是使用溶解在超純水中的釷-229的干燥硝酸鹽母體材料，然后將其移到坩堝中。加入氫氟酸后，會(huì)產(chǎn)生幾微克的釷-229沉淀物。團(tuán)隊(duì)將其從水中分離出來并加熱，直到其蒸發(fā)并且不均勻地凝結(jié)在透明藍(lán)寶石和氟化鎂表面。

在釷核時(shí)鐘中，一秒大約相當(dāng)于原子核的2020407300000000次激發(fā)和弛豫周期。如果弛豫率穩(wěn)定，那么更高的弛豫率可以使時(shí)鐘更精確；如果弛豫率發(fā)生變化，時(shí)鐘就會(huì)計(jì)時(shí)錯(cuò)誤。新薄膜為原子核提供了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，這種環(huán)境易于構(gòu)建，還可用于制造微加工器件。而且薄膜成本低、放射性低、尺寸小，意味著可以更容易地?cái)U(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，制造更小、更便宜、更便攜的原子鐘。