全球庫存僅約40克、比鉆石珍貴無數倍的戰略物資,科學家曾以為要把它像供奉“睡美人”一樣封印在完美晶體中才能喚醒,結果剛剛被證實:只要像地攤上“鍍金首飾”那樣簡單的工藝,用掉原來千分之一的量,就能制造出重新定義時間的終極神器!
這是剛剛發生的物理學地震。
2025年12月10日,頂級學術期刊《自然》(Nature)刊登了一項由美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)物理學家Eric Hudson領銜的突破性研究 。他們用一種近乎“粗暴”的極簡方式,粉碎了學界長達50年的教條。他們證明,制造那個傳說中能讓GPS導航精細度提升幾個數量級的“核光鐘”,根本不需要昂貴脆弱的晶體,一塊不銹鋼片、一點點電流,就能開啟人類計時的新紀元。
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要把故事講清楚,我們得先聊聊主角:釷-229(Thorium-229)。
在原子鐘的世界里,釷-229是當之無愧的皇冠明珠。普通原子鐘(像銫原子鐘)用的是電子的躍遷,而“核光鐘”用的是原子核的躍遷。后者受外界干擾極小,理論精度能把現在的原子鐘按在地上摩擦。
但這里有個巨大的Bug:釷-229太少了。
它不存在于自然界,只能從冷戰時期遺留的武器級鈾-233的衰變中提取。據估算,全世界目前的可用庫存大約只有40克。
按照以前的劇本,科學家們認為要把釷-229嵌入到一種特殊的、極其純凈的氟化晶體中。為了讓激光能穿透晶體去“撓癢癢”原子核,這塊晶體必須絕對透明。這就像是要為一位嬌貴的公主建造一座完美的水晶宮殿。
Hudson教授的團隊之前花了整整15年去研究怎么長這個晶體,結果發現這玩意兒不僅難長,還特別“吃”原料——做一個樣品至少要廢掉1毫克的釷。
對于只有40克庫存的人類來說,這簡直是在燒錢,哦不,是在燒掉最后的希望啊。
直到現在。
在這篇最新的論文中,Hudson團隊提出了一個讓所有同行大跌眼鏡的思路:如果公主不需要住在水晶宮里呢?
他們放棄了高大上的晶體生長,轉身撿起了19世紀就發明的工業老手藝——電鍍。
是的,就是那個用來給便宜首飾鍍金、防止汽車生銹的技術。研究人員直接拿了一塊不銹鋼圓盤,把釷-229配成溶液,通上電,在鋼片表面鍍了一層極其微薄的二氧化釷(229ThO2)。
這層膜有多薄?大約10納米。
這波操作簡直是把“貴族”拉進了“鐵匠鋪”。但就是這個像硬幣一樣的金屬片,不僅堅固耐用,而且用掉的釷-229只有原來晶體方案的千分之一
你可能會問:不透明的二氧化釷和不銹鋼,激光怎么打進去?信號怎么讀出來?
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這正是這項研究最“雞賊”(褒義)的地方。
以前科學家死磕透明晶體,是因為他們想看到原子核被激發后發出的“光”(熒光)。但實際上,當激光打在不透明的二氧化釷表面時,雖然光透不進去,但表層的原子核還是會被擊中。
當這些原子核興奮起來后,它們并不一定非要發光。在特定條件下,它們會把能量這一腳“踢”給身邊的電子,讓電子飛出來。這個過程在物理學上叫“內轉換”(Internal Conversion, IC)。
Hudson團隊并沒有去捕捉微弱的光,而是直接在旁邊放了個探測器,去抓這些飛出來的電子(電流)。
這一招“偷天換日”直接打通了任督二脈:
1、不再需要透明:材料黑乎乎的也沒關系,只要電子能飛出來就行。這直接讓帶隙較小的二氧化釷(約6 eV)成為了完美的宿主,打破了之前必須用寬帶隙材料(>8.4 eV)的死規矩。
2、速度極快:發光的輻射衰變很慢,但這種“內轉換”發射電子的速度比發光快了1億倍!這意味著時鐘的“嘀嗒”聲更密集,測量更穩。
3、設備極簡:不需要復雜的光學透鏡組去收集光,只需要檢測電流。這意味著未來的核光鐘可能像芯片一樣小。
這套“土法煉鋼”造出來的設備,性能如何?
數據顯示,激光成功激發了釷-229核異構體,不僅測出了極其精確的躍遷頻率——2,020,407.5 GHz,還測得內轉換壽命約為12.3微秒
更可怕的是它的潛力。基于此技術制造的核光鐘,其預測的不穩定性在1秒內低至2×10^-18。
這是什么概念?如果不加干預,這塊表走上幾百億年(比宇宙年齡還長),誤差可能還不到一秒。
這項技術的突破,意味著我們不用再擔心那區區40克的釷不夠用了。用這一招,全世界的科學家都能造得起核光鐘。
當這種只有芯片大小、不需要接收衛星信號就能精準計時的“黑科技”被裝進潛艇、深空探測器甚至你的手機里時:
- GPS被干擾?不存在的,潛艇在深海潛伏幾個月,位置誤差依然是毫米級。
- 物理學大廈要塌?這種鐘對引力波、暗物質極其敏感,它可能會成為人類探測宇宙最幽深秘密的“聽診器”。
正如Hudson教授所說,他們把一個需要把釷當“公主”供著的嬌貴實驗,變成了一塊可以在工業流水線上生產的堅硬鋼片。
有時候,科學的最高境界,就是把最復雜的問題,變得像鍍金戒指一樣簡單。
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參考文獻:
Elwell, R., et al. "Laser-based conversion electron M?ssbauer spectroscopy of229ThO2."Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-09776-4.
"Old jeweler's trick could unlock next-generation nuclear clocks." Phys.org, Dec 10, 2025.
"Old jeweler’s method may unlock compact thorium nuclear clocks for GPS-free navigation."Innovation News Network, Dec 10, 2025.
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