關(guān)鍵技術(shù)得到突破 核鐘距離我們越來越近
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】原子鐘是一種基于量子力學(xué)中的原子能級躍遷進(jìn)行計(jì)時(shí)的時(shí)間測量設(shè)備，其穩(wěn)定性非常高，一般來說數(shù)百萬年內(nèi)才會產(chǎn)生1秒的誤差。也正因?yàn)槠涓呔鹊奶攸c(diǎn)，原子鐘在多個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用，尤其是在導(dǎo)航、通信、航天領(lǐng)域，具備一定的不可替代性。可即便如此，科學(xué)家依舊不滿足于現(xiàn)狀，一直在尋找一種超越現(xiàn)有原子鐘的超精確計(jì)時(shí)技術(shù)。核鐘便是一個(gè)重要的發(fā)展方向。
核鐘利用原子核內(nèi)部質(zhì)子和中子在特定能級之間的躍遷來計(jì)時(shí)。相較于原子鐘，這種躍遷涉及原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)變化，而原子核受到外部環(huán)境的干擾遠(yuǎn)小于電子，因此原子核的躍遷穩(wěn)定性更高。
但發(fā)展核鐘本身存在許多現(xiàn)階段難以解決的難點(diǎn)。一方面，由于原子核的能級躍遷非常難以直接觀察和測量，因此需要極高的能量和精度來激發(fā)和探測這些躍遷——大多數(shù)原子核需要相干X射線(高頻光)撞擊才能實(shí)現(xiàn)能量躍遷，遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)所能產(chǎn)生的能量。另一方面要精確控制激光頻率以匹配原子核的躍遷能量，需要先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行測量，目前，這些技術(shù)仍處于發(fā)展階段。
關(guān)于這兩方面難題，前者在科學(xué)家的不斷探索中得到了解決。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)釷-229的原子核能量躍遷比任何其他已知原子都小，只需紫外光激發(fā)即可，因此也順理成章的將其作為一個(gè)重要的突破口。
而另一個(gè)問題似乎也在最近得到了起色。據(jù)悉，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和科羅拉多大學(xué)博爾德分校聯(lián)合成立的實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所(JILA)領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)，成功運(yùn)用專門設(shè)計(jì)的紫外線激光，對嵌入固體晶體的釷原子核中能量躍遷的頻率進(jìn)行了精確測量。并借助光學(xué)頻率梳計(jì)算出產(chǎn)生該能量躍遷的紫外線波周期數(shù)。這一實(shí)驗(yàn)一定程度上涵蓋了核鐘的所有關(guān)鍵技術(shù)。值得一提的是，新研究中，研究團(tuán)隊(duì)還建立了核躍遷和原子鐘之間的首個(gè)直接頻率鏈接，這將是開發(fā)核鐘并與現(xiàn)有計(jì)時(shí)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵一步。
可以期待的是，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，核鐘技術(shù)趨于成熟，它將為基礎(chǔ)物理研究及精密測量學(xué)帶去新的可能，眾多技術(shù)會因此革新。屆時(shí)，核鐘也將以重要儀器的身份，參與到全球定位系統(tǒng)的改進(jìn)、深空探測任務(wù)的導(dǎo)航以及地球物理學(xué)、天體物理學(xué)和宇宙學(xué)中的多種精密測量任務(wù)中去，發(fā)揮重要作用。
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