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中国这台核光钟,为啥值得人类研究 50 年?

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核光钟,各位最近刷到没?

前几天新华社发了官方报道,说中国科研团队造出了核光钟,还登上了顶级学术期刊《Nature》。


一句话总结,就是中国团队造出了更牛逼的原子钟,而且从常规原子干到了原子核里,所以叫核钟,或者核光钟。

虽然像什么本科生发Nature的事咱也早就习惯了,但核光钟这个词确实看着就强而有力。。。不知道是不是最新修仙小说看多了,哥们第一感觉这玩意是什么东皇钟同款新品神器吗?

但你要上网一搜,就会发现,网络上大家对它的理解大部分都是这个画风:

什么!中国人重新定义时间? 地震前一天中国人就能知道? 清华本科生让中国核潜艇战力翻倍?


不是哥们,某些营销号收收味好吧,人家发的是Nature还是故事会啊,一个纯科学的东西怎么搞得跟论战圈一样,哪那么玄乎。

不过呢,等到我仔细研究了一番以后,发现这些营销号说的虽然有点夸张,但这核光钟的技术确实顶。

具体什么情况,这就得讲到各位耳熟能详的原子钟了。


众所周知,为了研究一秒究竟有多长,人类把精确测量的技能卷到了极限。

以前大家看太阳行星转圈,后来用机械钟表,钟摆晃一下就是1秒。后来为了更精细,又研究了石英。

石英晶体通电可以以32768(2^15)赫兹振动,所以经过15次二分频,就可以输出1秒一个的信号,于是石英被做成晶振,用在各种电子元件里面。

就这个白色的圆柱


但由于石英仍然会受温度、老化等影响,所以人类直接把尺度拉的更小,用原子来定义。

中学化学里我们就学过,原子内部的电子处于特定的量子能级。当它在两个能级之间跃迁时,就会吸收或释放特定频率的电磁波。

由于普朗克常数限制,这个频率也会是一个宇宙中的固定数值,所以拿它来计算时间简直完美。比如铯原子钟,就是利用铯-133的特定跃迁频率来定义1秒,所以国际单位制中一秒的定义就是铯-133跃迁频率的9192631770次振荡的时长。


好了,既然原子钟已经搞这么先进了,那为啥又要搞开头这个核光钟啊?研究人员闲的蛋疼?

道理其实跟淘汰石英钟一样。原子钟虽然极其先进,但由于电子实在太轻了,很容易受到外部电磁环境的干扰,科学家必须花费大量精力消除系统误差。

更别说一套原子钟做出来,还要搭载复杂的激光冷却、真空系统和近乎绝对零度的超低温环境。

虽然真正管事的体积不大,但配套加起来比中秋节月饼礼盒都豪华,想进一步小型化、工程化就很不容易了,要把它搬上卫星也很占地方。


所以有人就想到,诶,那咱能不能继续往小了做,直接拿原子核来计时?

众所不周知,在原子中,不光核外电子有能级,处于C位的原子核它自己也有能级,也可以量子跃迁。而且拿原子核计时,简直是天命之选。

如果说核外电子是操场边的一圈羽毛,风一吹就跑了,那原子核就是操场中心的良子,任凭外界电磁干扰,它自岿然不动。


所以理论上,目前常见原子钟的极限误差可能是一亿年错一秒,但核钟的理论精度,能达到几百亿年才错一秒 —— 比宇宙大爆炸到现在的时间都久!

OK,那这么神奇的妙妙工具,要怎么做出来呢?基本思路和原子钟是一样的:

首先,找一束激光去击中原子核,让它进入量子跃迁的激发态; 然后,计算原子核跃迁能量的特定频率,再把激光调到跟这个频率完全一致; 最后,测量这束被原子核完美校准的激光频率,再用“光频梳”等类似变速箱效果的工具,把光波频率还原到1秒。 完事,一个核光钟就做好了。


听起来像把大象放进冰箱一样简单,但为了完成这几步,全人类整整熬了50年。。。

因为造核光钟面临的第一个难题,就是能量。常规原子核的跃迁,需要极高能量的伽马射线才能激发,但人类目前的技术,还无法完全掌握伽马射线。。。(而且穿透力太强,可能破坏仪器)

好就好在,天无绝人之路。1976年,美国人在研究核弹时,意外发现了钍-229元素衰变后,会存在两个异常接近的原子核能级,跃迁能量极低!


但对当时的美国人来说,还没想到拿它做核光钟。

到了2003年,德国科学家发现了这个盲点,说这钍-229岂不是天选核光钟原材料?而且用激光就能驱动啊!

但这也同样是口嗨,因为直到2016年,科学家才第一次证明了钍-229存在这种激发态。至于钍-229跃迁到激发态需要多少能量,也是两眼一抹黑。

以前猜的是3.5电子伏特,2023年才把这个能量测定到约8.3电子伏特。直到2024年,科学家们才终于确认,需要波长大约为148.3纳米的激光。


好,知道长啥样,赶紧造呗!但新的麻烦又来了。

想造一台真正的“钟”,就不能只闪一下,得让这束激光极其稳定。可偏偏这个148纳米属于真空紫外波段。

这种光极其傲娇,会被空气吸收,现有的光学材料和激光技术对它完全没辙。

这事儿难到连美国军方都无招了,2025年1月,美国国防高级研究计划局DARPA,专门发布了一个叫SUNSPOT的项目,核心目标之一就是死磕钍-229要用的这束激光。。。


然而正当这激光卡住美国人脖子的时候,清华大学丁世谦团队,已经弯道超车了。。。

相比常规思路造激光,他们直接拿“镉蒸气”当介质,通过一种叫“四波混频”的方案,把几束不同频率的激光融合成了一束148纳米的纯净真空紫外光。

经过多年死磕,团队终于搞出了连续、稳定的光源。今年2月,这项成果直接杀上了《Nature》。

有趣的是,这篇光源Nature论文发表时,还因为作者署名引发过一小波网络讨论。当时,清华本科生肖琦是排第一的共同一作,而带他的博士生黄北辰排第四。所以一些网友开始讨论这些大佬的署名顺序和实验贡献到底谁大。

不过不管怎么说,能在这张属于全人类科技史的答卷上写下名字,这俩哥们已经足够让大伙儿献上膝盖了。


有了光,离造出核光钟就剩下最后一道菜:材料。

在核光钟里,要把钍-229像撒盐一样,均匀地揉进一块晶体里。钍-229本来就极其稀缺,晶体生长又容易出现缺陷,还要保证这块晶体绝对透明,不能挡住激光,这种晶体谁给我找啊?

不急,此前欧洲科学家已经找到了一种关键材料,氟化钙。所以接下来,包含清华、北大、上海光机所、清华核研院、上海硅酸盐所、中国计量院等中国顶尖科研机构全军出击,共同来完成核光钟运行实验。

最终,他们用1.4微克的钍-229制成了掺钍氟化钙晶体,然后在清华大学丁世谦团队的努力下,中国人自主研发的核光钟,成了。


至此,我们可以以钍−229核跃迁频率来定义一秒钟:一秒钟,就是钍−229原子核在钍−229m和钍−229基态间跃迁时所辐射的电磁波(紫外光)的周期的2 020 407 384 335 000倍的时间!

对了,这次10月7日的《Nature》大轴论文发表时,黄北辰也已经变成了第一顺位的共同一作,肖琦依然在列 共同一作 。

但抛开这些花边新闻,更巧合的是,中国团队这次居然和欧洲撞车了。但我们撞赢了。

10月7日,清华团队和欧洲团队独立完成的两项核光钟成果,在《Nature》上同期发表。结果一对比大家发现:中国团队的核光钟不仅实现了稳定闭环运行,而且秒级频率的稳定度,优于同期欧洲团队接近整整一个数量级!


最后,再说着这玩意未来有什么用吧。抛开开头营销号的宣传不谈,按照清华团队接受央媒采访的说法,核光钟的用途实际上就是两部分。

一方面,它可以小型化,方便搬上卫星,替代原子钟来承担卫星导航、通信网络和深空探测等高精度授时需求,能彻底解决星载时钟的漂移问题,极大提升测控测量的精度。

更重要的是,它会成为人类探索基础物理的新工具。比如宇宙基本常数为啥是那几个数?暗物质到底有啥影响?宇宙大爆炸刚开始是什么样子?这些都要靠更先进的核光钟去测量和回答。

不过现在的核光钟还没有超过最先进的原子光钟,距离真正小型化、进入卫星或其他实际装备,也还有很长的路要走。

总之,人类花了50年去认识这种特殊的原子核,又花了20多年,才把它第一次变成钟。至于它最终能带人类走向何处,还是交给时间去验证吧。

撰文:纳西

编辑:江江 & 面线

美编:素描

图片、资料来源:

新华社、人民日报、Nature、知乎等,部分图源网络


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