与早期的原型不同，新型核钟能够在不依赖传统原子钟的情况下保持自身的稳定性。研究人员已经证明，它可以在无人干预的情况下稳定运行超过24小时。
这一成就代表了精密测量（也称为计量学）领域的重要进展。通过使用原子核作为异常稳定的参考，核钟最终可能使科学家能够以现有技术无法企及的精度水平来测量时间和其他物理量。
为什么钍是核钟的关键
这一突破依赖于钍原子核的一种不寻常特性，科学家们已经对其研究了几十年。
原子核可以存在于不同的能态中，但在这些能态之间跃迁通常需要巨大的能量。钍是一个罕见的例外。它的两个核能态之间的能隙异常小，使得使用激光触发它们之间的跃迁成为可能。
这一特性至关重要，因为它允许研究人员用激光控制原子核的能态，这对于大多数其他原子核来说是无法以同样方式实现的。然后，科学家可以利用这种极其精确的跃迁作为测量时间的参考。
2024年4月取得了一项重大突破，由维也纳工业大学（TU Wien）原子与亚原子物理研究所的Thorsten Schumm教授领导的研究人员，与不伦瑞克联邦物理技术研究院（PTB Braunschweig）的Ekkehard Peik教授领导的团队合作，在实验中确定了这一长期寻找的核跃迁。他们首次证明了激光束可以激发钍原子核。
2024年秋季又取得了进一步进展。研究人员将他们的钍激发装置连接到传统的光学原子钟上，证明了原子核可以作为高精度计时的参考。
尽管这确立了核钟的基本原理，但仍缺少一项关键能力：独立保持自身精度的能力。
科学家制造出可自我稳定的核钟
“你真正想要的是一个自我稳定的核钟，”Thorsten Schumm教授解释道。“基本想法很简单：你有一台激光器，你有钍。激光改变钍原子核的能态，而钍原子核被用来稳定激光的频率。”
为了实现这一点，研究人员开发了一个系统，该系统围绕一种含有钍原子的特殊晶体构建，该晶体由维也纳工业大学制造。激光照射到晶体上，与其内部的钍原子核发生相互作用。
激光以特定频率振荡，提供可用于测量时间的规律节律。然而，周围环境即使有微小的变化也会干扰这种节律。
“这种激光的振荡可以用于计时，但激光频率偶尔会发生轻微偏移，例如由于温度波动，”Thorsten Schumm解释道。“因此，对于高精度测量，你需要一种机制来保持激光频率绝对稳定，以便时钟继续以完全相同的节律滴答作响。”
传统的原子钟通过使用原子中电子的能级跃迁作为稳定参考来解决这个问题。维也纳团队现在已经证明，钍原子核可以发挥相同的功能。
该机制之所以有效，是因为只有当激光具有完全正确的频率时，钍原子核才会吸收激光。如果激光开始偏离该频率，原子核吸收的光量就会减少。
系统检测到这种变化后，会自动调整激光，使其恢复到正确的频率。这种连续的反馈使时钟保持一致的速率运行，而不需要传统的原子钟来维持其稳定性。
科学家首次展示了一种能够独立运行的自调节核钟。
每3000万年仅有一秒误差的时钟
核钟的潜在优势源于原子核的非凡特性。
“维也纳新型核钟的巨大优势在于，如果你使用原子核而不是原子，原则上可能获得高得多的精度，”Thorsten Schumm说。
原子核比原子小一万多倍。由于其尺寸极小，它们受外部影响的干扰要小得多，而这些影响可能会破坏精确测量。
这种对环境干扰的抵抗力使得核能态跃迁在超精密计时方面极具前景。
为了评估他们的原型，研究人员测量了它在一天内的性能。该核钟实现了约10的负15次方的相对精度，相当于在3000万年内大约只有一秒的误差。
该数据描述的是时钟的测量精度，而不是持续数百万年的实际测试。尽管如此，它说明了研究人员已经利用早期原型实现了非凡的精度。
这款新时钟尚未达到世界领先的光学原子钟的精度，后者仍然是高性能计时的基准。
“这还没有达到世界上最好的光学原子钟的水平，但对于第一个原型来说，这是一个极好的结果，”Thorsten Schumm说。
迈向更精密计时的下一步
研究人员认为他们的核钟还有很大的改进空间。通过使用更强大的激光和开发更高质量的钍晶体，他们希望能大幅提高其精度。
这些升级最终可能使核钟超越现有的原子钟，并建立测量时间的新标准。
其影响不仅限于制造一个更好的时钟。更精确的计时还可以改善其他物理量的测量，为研究人员提供越来越灵敏的工具来探索自然的基本属性。
目前，维也纳团队的成就表明，一个长期追求的科学概念可以作为自持计时系统运行。随着世界上第一个自我稳定的核钟现在独立运行，科学家们已经向着以空前精度测量时间的未来迈出了重要一步。