引言
在对更精确计时的不懈追求中，一项发表在《科学》（第393卷，第6813期，第795-799页，2026年8月）上的新研究报告了嵌入氟化钙（CaF₂）中的钍-229（²²⁹Th）的激光穆斯堡尔谱学。虽然完整的技术细节仍处于付费墙之后，但仅标题就标志着核钟领域迈出了重要一步，核钟旨在通过使用奇异的核跃迁而非电子轨道来超越当今最先进的原子钟。
这篇由物理学家团队撰写的论文探讨了晶体宿主材料——氟化钙——如何在激光激发下影响钍-229原子核的行为。这不仅仅是学术好奇心；²²⁹Th的独特性质使其成为下一代计时装置的首要候选材料，这种装置可能重新定义秒，并能够对基础物理学进行新的测试。
钍-229的前景
钍-229是一种稀有同位素，因其原子核拥有一个极低激发态（称为同核异能态）而吸引了精密测量科学家的想象力。基态与该同核异能态之间的能量差非常小，以至于落在电磁波谱的真空紫外（VUV）区域——这意味着它可以通过激光激发。没有其他原子核具有这样的跃迁，这使得²²⁹Th成为核钟开发的独特选择。
在核钟中，“滴答”将基于在这两个状态之间翻转原子核所需的光的频率。由于核能级对外部扰动（如磁场或温度变化）的敏感度远低于原子电子能级，核钟可能比当前的原子钟更稳定、更精确。这种时钟不仅用于计时；它们还是探测基本常数可能变化、暗物质相互作用以及标准模型之外的其他物理现象的灵敏探测器。
穆斯堡尔谱学：通往原子核的桥梁
为了探测钍-229核跃迁，研究人员求助于穆斯堡尔谱学，这是一种在20世纪50年代首次发现的强大技术。传统的穆斯堡尔谱学测量固体材料中伽马射线的无反冲发射和吸收。当原子核发射或吸收伽马射线光子时，除非原子紧密束缚在晶格中，否则反冲能量会模糊共振，从而使动量被整个晶体吸收。这种现象使得共振线极其尖锐，有助于研究微小的能量位移。
激光穆斯堡尔谱学通过使用激光直接驱动核跃迁，而不是依赖放射性源，升级了这种方法。在²²⁹Th的背景下，跃迁能量位于VUV范围，这对激光技术和将钍离子嵌入合适晶体的物理都提出了挑战。选择氟化钙特别有趣，因为它提供了一种透明、宽带隙的宿主，可以容纳钍离子，同时最小化对核能级的扰动。
氟化钙作为宿主晶体
为什么选择CaF₂？氟化钙是一种众所周知的光学材料，从红外到VUV都具有高透明度。它具有立方萤石结构，常用于光刻和光谱学，因为其有利的机械和光学特性。对于核钟应用，宿主晶体不得因晶体场不均匀性或缺陷位点而引入过度的谱线展宽。²²⁹Th离子取代钙离子，但离子半径和价态的失配需要仔细的电荷补偿。《科学》杂志报道的研究可能检验了CaF₂是否能保持核共振的尖锐性——这是时钟性能的决定性因素。
先前使用钍掺杂晶体（如LiSrAlF₆）的工作表明，内部环境可以移动和展宽核跃迁频率。CaF₂提供了不同的对称性和键合环境，可能减少其中一些效应。如果穆斯堡尔谱显示出窄线，这将证明氟化钙是未来核钟固态器件的可行宿主。
对核钟技术的影响
这项研究的结果可能加速固态核钟的发展。一个可工作的核钟将是一种紧凑、坚固的仪器，应用范围从大地测量学（测量地球的形状和重力）到深空导航和基础物理探测。与需要真空室和许多激光冷却原子的原子钟不同，核钟可以由嵌入钍离子的薄晶体构建，并由台式VUV激光系统激发。
此外，激光穆斯堡尔方法提供了一种直接测量绝对跃迁能量和线宽的方法，这些是关键参数。先前对同核异能态能量的估计多年来不断完善，但仍存在差异。使用CaF₂样品进行高精度光谱学可以解决这些差异，并为未来的时钟频率标准提供坚实的锚点。
更广泛的科学影响
除了计时，原子核与其周围晶格之间的相互作用本身就是一个丰富的领域。激光穆斯堡尔谱学可以揭示声子（晶格振动）如何与核跃迁耦合，以及化学键如何影响核参数。这项基础研究对材料科学、化学和核物理具有影响。理解²²⁹Th的固态环境对于拟议的应用也至关重要，例如核电池或使用核量子比特的量子信息处理，这可能提供长相干时间。
2026年在《科学》杂志上的发表标志着这一快速发展的领域中的又一个里程碑。随着研究人员继续完善激光系统和晶体生长技术，可工作的核钟的梦想越来越接近现实。这项研究虽然专注于光谱学，但为选择最佳宿主材料和设计下一代实验提供了经验基础。
结论
总之，关于²²⁹Th在CaF₂中的激光穆斯堡尔谱学的新报告，出现在2026年8月的《科学》杂志上，强调了向核钟的稳步进展。虽然完整的数据集尚未公开，但这样一次测量的存在本身就表明该领域正在快速发展。每一步——新晶体、更好的激光、更高的分辨率——都使科学界更接近于利用自然界中最稀有和最有价值的资源之一：钍-229的禁戒核跃迁。这项工作不仅对计时有希望，而且为原子核物理和支配我们宇宙的基本定律开辟了新的窗口。
本文基于《科学》（AAAS）的报道。阅读原文。
Originally published on science.org
