在最新一期学术期刊Nature里面, 同时刊登了来自中国和奥地利这两个地方的科研团队所作的重大突破。
清华大学方面和维也纳工业大学方面, 他们两家是各自独立去搞研发的, 结果都弄出了世界上头一批那种能好好转悠的钍- 229固态核光钟这事, 而且经过了好多层面、严丝合缝的测验, 发现由中国那边团队研制出来的那款核光钟, 它在开动起来之后的稳定程度这回事, 算是达到了欧洲那边同类型装置的大概六倍的规模效果。
这项成果, 不仅标志着人类的计时技术, 已经从过去的原子外层电子跃迁状态, 正式迈入了去观察原子核内部震颤的那种新境界, 同时也让下一代时间基准的全球性的竞争比拼, 进入到了非常激烈的阶段。
在很长一段时间里, 高精度的时间测量工作, 一直都是用来支撑导航定位, 还有深空探测以及基础科学探索这些事情的, 那么具体是谁能够在更微观的那一种尺度上面, 去捕捉到更加纯净的那一种节奏节拍的话, 是谁就能够掌握住关于未来时间度量的那个主导权利和发言权。
从晃荡的秋千到原子心脏的微颤
现在人衡量时间的方式, 本质上都是在一件非常大的事情上面找那个最规律、最稳定的振动现象, 在古代的时候, 人们依靠的是摆钟里面那个像秋千一样规律晃来晃去的钟摆, 在现代, 人们依靠的是石英晶体在通电以后会发生的那个很规律的颤抖, 等到20世纪中叶, 科学家就发现了一个新的情况, 他们发现原子的外层电子会在不同的轨道之间跳上跳下的, 而且在跳的过程中释放或者是吸收的那种电磁波的频率是更加恒定的, 于是原子钟这个东西就应运而生了。
大家现在都公认, 1秒这个时间单位, 它是被定义成金属铯原子内部电子在上下跃迁的时候, 它所产生的那种电磁波的震荡次数的。
原子钟虽然非常精确, 精确到几十亿年或者上百亿年才会出现1秒的误差的程度, 可是它照样存在着物理上的极限。电子分布在原子的最外层, 它们的个头相对而言比较松散, 所以非常容易受到周围的环境里那些微弱的杂散电场、磁场, 甚至温度的微小波动所产生的扰动。
为了能够让原子钟保持稳定的工作状态, 科学家们通常需要将原子放置在复杂的真空腔体内, 并且动用庞大的激光冷却设备来对它们进行严密的保护。
咱们可以这样打比方, 说原子好比是规模超大的体育场地, 电子的角色定位就像是在观众席周围来回跑动的看客, 天气要是刮风下雨之类的, 肯定会对它们的行动节奏造成影响, 至于那原子核呢, 它更像是悬浮在球场正中心位置的一个小小弹珠, 这东西的体积在整个原子里头占的比重只有几万亿分之一这么一点点, 内部还有那种威力强大的强相互作用力把它死死地攥住不让动, 既然它的个头实在是太小了, 里面结合得又是那么紧密, 所以它在天生的一面就对来自外界的干扰电磁效应具有特别强大的抵抗力与免疫力。
科学家在2003年就已经意识到了这么一点, 就是如果说是能把那个计时的节拍器给安排到原子核的内部去, 以此来做成一台叫做核钟的设备的话, 那么这个计时系统在处理抗干扰能力方面呢, 就会产生一个本质的大的提升。
绝大多数原子核都非常顽固, 想要让它们的内部发生类似能级跃迁的那种振动作用的话, 是需要用到能量非常极高的那种射线的, 而这个能量水平是远远超过当前实验室里面所用到的激光器所能够达到的驱动能力的, 不过呢, 在元素周期表当中存在着一个唯一的例外情况, 这个例外就是被称为钍-229的这种物质。
这种稀有的放射性同位素, 有一种非常奇特的内部平衡状态。核内的核子之间, 存在一种微妙的较量。正因如此, 它只需要受到一束能量比较低的真空紫外波段激光的轻轻一推, 就能在两种不同的构型之间来回振荡。维也纳的研究人员, 用形象的方式描述了这一过程。他们说, 原子核原本的形状, 就像一颗橄榄球。
当它受到特定频率的激光激发之后, 形状就会被挤压成梨形。随后, 它又会弹回原来的样子。这种来回形变的情况, 具有比较高的频率特点, 并且稳定性程度达到了极高的水平。可以说, 这样的状态特征为核钟提供了一种最为合适的, 类似于心跳节拍的基准信号参考。
用六百度金属蒸汽点亮深紫外激光
理论上的蓝图, 虽然它看起来很诱人, 可是, 要是真想做出一个能够运转的核钟这么个东西来, 全球的那些物理学家们, 他们就真是花了不少于二十多年的时间在里面心血都耗费光了。
钍-229那个原子核里的跃迁对应的激光波长大概是148纳米这个程度, 这就属于极难的真空紫外光了范围里头, 这玩意儿是极难产生的。在之前那么很长一段时间里, 科学的整个这个圈子, 他们甚至还都无法对这个跳跃的确切的所谓频率来进行非常精确的那个测量和确定。
这就像是一个唱歌的人, 他想要把玻璃杯震破, 但是, 他根本不知道这个玻璃杯自己震动的那个频率到底是多少, 所以, 他只能在一个很长很黑的过程里面, 一点一点地去找那个感觉。然后, 一直到2024年, 研究人员才第一次利用激光手段, 真正让钍-229发生原子核层面的能级变化。
在确定了那个音调之后, 制造出合格的乐器就成了摆在科研人员面前的巨大的障碍。钍-229这个东西本身极其稀缺, 通常只能够从军工级铀的那个衰变副产物里面去微量地提取出来。清华大学团队在那个实验里头就仅仅只获得了一微克左右的钍-229。
在面临材料极其受限这种苛刻条件的时候, 中国这边的一个团队采取了不一样的方法。 然后, 把那一点点宝贵的东西给好好地、均匀地搅拌到氟化钙的晶体里面去, 最后加工出来的是一个小得不行的微型晶体, 看它的大小, 是比一般的人吃的米粒还要小上一截的。
不过, 虽然这晶体的体积真的是特别特别小, 但是在这一小块晶体内部, 却密密麻麻、整整齐齐地装进去了大概有一千万亿个也就是1000万亿个钍-229原子核那么多。
清华大学的研究队伍为此建立了一套极其精密的光学设备, 以便让这颗晶体产生心跳。他们把激光束打入镉金属蒸汽里, 并且把这批镉金属蒸汽加热到了600摄氏度。
要知道, 这个温度甚至比烘烤比萨时使用的燃木烤炉还要滚烫。在那种经过高温加热的金属蒸汽内部, 发生了非线性光学效应转换的情况, 于是科研团队顺利获得了明亮且高纯度的148纳米真空紫外激光束。
维也纳工业大学的研究团队选用了不一样的技术手段, 他们制造出了含有更多钍原子核的晶体, 原子核的密度大约是中国团队所制作样品密度的200倍左右, 不过他们在激光能量的强度以及纯度精准把控方面要比中国团队稍微差一点, 当激光器发出的光束照射进这块晶体里面的时候, 钍元素相关的原子核会以极快的速度把光子全部吸收进去, 并且会像橄榄球和梨形物体那样来回快速变换形状, 与此同时光频率测量仪器能够非常精确地去记载每一次状态变化时所产生的峰值数据。
通过进行快速的调整, 来抑制激光器自身那些非常微小的漂移现象, 于是那两台从来没有过、前所未有的核钟, 最终分别在东方的实验室和西方的实验室当中成功地走动了。
后来的那些稳定性情况做了对比, 发现了特别大的不一样, 维也纳那个小组弄的核钟, 每天把机器打开运行时候, 激光穿过那个晶体的地方是不一样的, 所以测出来的时间节奏会有一些很小的差池, 这种状况显示出晶体里面存在的缺点还有钍原子核分得不太够均匀的这类问题, 给稳定的表现带来了一些不好的影响。
清华大学那个团队, 手里拿着质量更高的深紫外光源, 还用了很精密的办法让激光锁住频率。因为这样, 他们得到的频率稳定度更高。整体来看, 他们的表现大概是维也纳那座核钟的6倍之多。
要是用大家平时容易懂的方式去换算的话, 维也纳核钟大概要跑上好几百年的时间, 才会多出1秒钟这样的误差。咱们中国团队搞出来的这个核钟, 要是从恐龙灭绝的那会儿开始, 也就是6500万年前, 一直走到现在, 这中间加起来累计的误差嘛呀也就只有2秒钟左右了。
两颗米粒大晶体的完美合拍
清华大学的研究团队, 在实验方面又迈出了一步关键的进展工作, 这下子, 终于把这个科学界里头存在着的关于那个叫晶体核钟重现实验能不能够再次得到相同结果的担忧给直接地消除了。
在进行固态物理这种方面的实验过程中, 科学家们心里面最害怕的就是出现那种碰巧的、不是真正有规律的情况, 因为如果时间的快慢程度, 它只是取决于某一块特定的晶体的微观上面的那些小瑕疵的话, 那么这项技术就很难以被推广开去成为大家通用的国际度量标准了。
中国那边的科研人员, 是专门搞出了两块掺钍晶体来着, 这两块晶体批次不一样, 也是各自独立生长出来的。在那种完全一样的激光照射状态还有探测环境里头, 这两块晶体表现出来的那个一致性程度, 简直都让人惊呆了, 它们记下来的时间节拍偏差, 也就差不多也就是在10万亿分之3这么个点左右而已。
而且这个测量结果, 跟之前美国那边天体物理联合实验室用的设备完全是两码事还有晶体也不一样所测出来的数据之间, 那契合度还是相当高的。
这项实验的结果提供了非常有力的证明, 说明我们测量到的那种稳定的频率, 它反映的是钡-229 原子核本身所具备的固有的物理性质, 而绝不是因为个别实验样品里面混杂了其他偶发的杂质才导致的结果。
不管这个晶体是在哪个地方进行生长的操作, 只要它的加工工艺能够达到规定的标准, 那么关于钍核的这种律动表现, 就一定会保持高度一致的统一状态。这种极其高水平的可复制性特征, 构成了一个非常重要的环节, 它是连接实验室里的原理样机和走向工业化的精密标准之间所必不可少的那个坚实的步骤。
在钟表研制这回事儿上面, 可复制性这个东西还表示什么, 它还意味着咱们往后可以大批量地生产出那些性能差不多一样的微型芯片钟来。你看看现在那些最好的光学原子钟是个啥样, 它们动不动就把大半个实验室的房间给占满了, 身上到处都布满了那些精密的反射镜还有超高真空管道, 长得那叫一个大, 身体那叫一个笨重。
可是基于透明晶体的固态核钟就不是这么回事了, 它天生就有很大的结构紧凑性, 也有很强的抗震能力, 这些东西加在一起, 就给下一代精密计时技术真正能用到实际生活里去扫清了很大的一大块心理上的障碍。
寻找宇宙深处看不见的幽灵
建造核钟这个行为, 它那个目的, 远远不是只限于去制造出一台准确度更高的计时机器这样子。那些物理学家们, 他们更加看重的点, 其实是把核钟当作一把用来探索那些还没有被解开的宇宙秘密的、具有极端高精度的尺子来用。
在当前这个被称为现代宇宙学模型的理论框架里, 我们人类所知道的物质总量当中, 有那么百分之八十三的东西, 是根本看不见、也摸不着的, 这些东西大家管它叫作暗物质。
这种东西是不发光的, 同时, 它也不会和我们通常所说的电磁力进行什么相互作用, 但是理论研究者认为, 有那么一些特别轻特别轻的暗物质的粒子, 在它们来回穿过咱们普通人能接触的这类常规物质空间的时候, 就很可能去引发那些基本物理常数极其非常非常微弱的抖动情况。
就拿那个精细结构常数来说, 要是它能够发生哪怕是一丁点极其微小的漂移行为, 那么处在原子核里面的那种强相互作用力和电磁力之间原本保持的那个平衡状态, 也就一定会遭到破坏。
钍-229正是这种探索的绝佳探针。由于其原子核跃迁能级极其微小, 它实际上处在原子核强相互作用能与质子间静电排斥能几乎完全抵消的悬崖边缘。这种近乎极限的平衡状态, 导致它对自然界基本常数的任何微小变动都具有超乎寻常的敏感度。
要是碰上是暗物质粒子团块, 这伙计从地球上划过的时候也会穿过那种晶体, 这时候就会发生一件事儿, 钍核之前那相当稳当的节律, 会出现一点点小小的波动情况。
维也纳团队在这次测试里, 已经试过拿他们的核钟来找找暗物质的信号了, 虽然按现在的这个精确度还还没抓到啥异常的东西, 不过这也还是把核钟这个当新式粒子探测器的独特有劲儿的地方给亮出来了。科学家们把核钟和目前精度最高的那些在传统意义上算是原子钟的设备放在一起进行并列对比。
他们会去观察这两种分别建立在完全不同的物理机制上面的钟表设备, 在经过了很长时间的运行过程之后, 它们之间是不是存在着非常微小、极其不起眼的走时速度上的差异。
通过这样的一种直接检验方法, 他们想要弄明白一些作为物理学基础的那些基本物理常数, 究竟是真的会在宇宙不断演化的整个过程之中保持恒定不变的状态, 还是说会发生改变。
固态核钟这个东西, 它的出现会怎么样? 这会给未来的高科技应用场景带来很大的影响, 而且这种影响是很深远的。现在人们用的卫星导航系统是怎么回事? 是完全依赖星载原子钟的。那么未来要是能够把固态核钟送到轨道上吗?
或者是装备在深空探测器上。这样做的前提是什么? 这个固态核钟表观要小巧。它还得不怕外部剧烈晃动。它也得抗电磁干扰极强。这样的话会怎么样? 导航定位系统的抗干扰能力会有个变化, 自主巡航精度也会发生很大的进步。
深空测控水平同样也会迎来根本性的跨越。把实验室级别里头那种特别高、特别精细的那个精度, 给装进那个坚固的晶体里面去, 这个本事呢, 是所有工业领域还有国防工程领域里的那些人, 大家都非常想要得到的一个特性。
下一代计时技术的破晓时刻
虽然清华大学和那个维也纳方面的团队搞出的那个新突破, 让全球物理学界里面所有的人都非常非常激动, 都在那里热烈地称赞这件事, 但是咱们科研人员心里头对眼前摆着的这道鸿沟是看得 very 清楚, 是一清二楚。
就是现在还在运行着的那两台用核做的钟, 在绝对精度这个指标上面, 实际上是还没有追上目前世界上站在最高端的那些光学原子钟。
就是目前公认最好用的那种光晶格原子钟, 它只要稳定地连续运行1000亿年之久以后, 才会因为累积误差而出现整整1秒的偏离, 所以它在稳定性方面, 比那些刚刚造出来的原型核钟, 还要高出大概有10000倍之多。
正如来自加利福尼亚大学洛杉矶分校的物理学家所指出的那样, 整个核钟领域目前正以令人眼花缭乱的速度向前飞速推进。顶级的原子钟是经过长达70多年的不断雕琢和打磨过程后才达到当今这样完美状态的。相比之下, 核钟仅仅是刚刚开始迈出第一步这一点就清楚地显示出了它身上所具有的惊人的发展潜能。
目前这两个团队都在同一个地方卡住了, 这个卡住的地方主要就是晶体生长这个问题, 还有深紫外激光技术这个问题。之所以会这样, 就是因为钍-229这个东西太少了, 根本找不到多少, 所以研究人员连试错的胆子都没有, 更别提去摸索什么晶体加工的最优的工艺了。
如果未来能够改善晶体质量, 减少晶格缺陷, 那么可以让每一个钍核, 都处于完全一致的, 晶体电场环境。同时, 如果研制出, 功率更高、波长更纯净的, 深紫外激光的话。核钟的跳动节拍, 还将变得更加锐利。
两支团队在这一全新物理前沿的竞逐, 现在还在进行当中, 并没有停下来, 中国科学家在稳定度这方面取得的阶段性领先这个事实, 给这场改变时间度量史的科技长跑写下来一笔非常有重量的内容, 这件事是实打实的。
