科学家们在建立一种全新类型的时钟的研究中达到了一个重要的里程碑。在经过数十年的研究后，维也纳的一个团队开发了世界首个自我稳定的核时钟，这种设备可以在未来以比今天最先进的原子钟更精确的方式来测量时间。与早期的原型不同，新型核时钟能够自我维持稳定，而不依赖于传统的原子钟。研究人员已经证明，它可以在没有人干预的情况下稳定运行超过24小时。这一成就代表了计量学中的一个重要进展，被称为精密测量。通过使用原子核作为异常稳定的参考，核时钟最终可能使科学家能够以现有技术无法达到的精确度测量时间和其他物理量。钍为何是核时钟的关键突破依赖于钍原子核的一个不寻常的特性，科学家们研究了数十年。原子核可以存在于不同的能量状态之间，但在这些状态之间移动通常需要巨大的能量。钍是一个罕见的例外。它的两个核能量状态之间的能量间隙非常小，这使得可以利用激光光来触发它们之间的转变。这一特性至关重要，因为它允许研究人员利用激光控制原子核的能量状态，而这是大多数其他原子核所不可能做到的。科学家们随后可以使用这个极其精确的转变作为测量时间的参考。2024年4月，来自维也纳科技大学原子和亚原子物理研究所的Thorsten Schumm教授领导的研究团队，与Braunschweig PTB的Ekkehard Peik教授领导的团队合作，首次实验性地识别出长期追寻的核转变。他们首次展示了激光束可以激发钍核。2024年秋季，研究人员将其钍激发装置与传统的光学原子钟连接，展示了核可以作为高度精确的计时参考。尽管这确立了核时钟的基本原理，但仍然缺少一个必要的功能：独立保持自身准确性的能力。科学家们构建自我稳定的核时钟“你真正想要的是一个自我稳定的核时钟，”Thorsten Schumm教授解释道，“基本思路很简单：你有一个激光器，还有钍。激光改变钍核的能量状态，而钍核用于稳定激光的频率。”为了实现这一点，研究人员开发了一个围绕着含钍原子的特殊晶体构建的系统，该晶体是在维也纳科技大学制造的。激光光线照射到晶体上，与内部的钍核相互作用。激光的光以特定频率震荡，提供一个可以用来测量时间的规律节奏。然而，即便是周围环境的微小变化也会干扰这种节奏。“这种激光光的震荡可用于计时，但激光频率可能会时不时地略有偏移，例如由于温度波动。”Thorsten Schumm解释道。“为了进行高精度测量，你因此需要一个机制来保持激光频率完美稳定，以确保时钟持续以完全相同的节奏走动。”传统的原子钟通过使用原子中电子的能量跃迁作为稳定的参考来解决这个问题。维也纳的团队现在已经证明，钍原子的核可以执行相同的功能。该机制之所以有效，是因为钍核只有在光的频率恰好正确时才会吸收激光光。如果激光开始偏离那个频率，核吸收的光量就会减少。该系统检测到这一变化，并自动调整激光，以将其带回正确的频率。这种连续的反馈保持时钟以一致的速率运行，而无需传统的原子钟来维持其稳定性。首次，科学家们展示了一个能够独立运作的自我调节核时钟。误差仅为3000万年一秒的时钟核时钟的潜在优势来自于原子核的非凡特性。“维也纳的新核时钟的巨大优势在于，如果使用原子核而不是原子，原则上可以实现更高的精度，”Thorsten Schumm表示。原子核的大小不到原子的1/10,000。由于其极其微小的尺寸，它们不太受外部影响的影响，这些外部干扰可能会干扰精确测量。这种对环境干扰的抵抗使得核能跃迁在超精细测量中显得尤其有希望。