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關(guān)鍵技術(shù)得到突破 核鐘距離我們越來越近
2024年09月09日 11:32:48
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：小王 點擊量：5287
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時。相較于原子鐘，這種躍遷涉及原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細變化，而原子核受到外部環(huán)境的干擾遠小于電子，因此原子核的躍遷穩(wěn)定性更高。
【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行計時的時間測量設(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。也正因為其高精度的特點，原子鐘在多個領(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?？杉幢闳绱?，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時技術(shù)。核鐘便是一個重要的發(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時。相較于原子鐘，這種躍遷涉及原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細變化，而原子核受到外部環(huán)境的干擾遠小于電子，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。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)撞擊才能實現(xiàn)能量躍遷，遠超現(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，需要先進的技術(shù)進行測量，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?？茖W(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重要的突破口。
而另一個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)合成立的實驗天體物理聯(lián)合研究所(JILA)領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊，成功運用專門設(shè)計的紫外線激光，對嵌入固體晶體的釷原子核中能量躍遷的頻率進行了精確測量。并借助光學(xué)頻率梳計算出產(chǎn)生該能量躍遷的紫外線波周期數(shù)。這一實驗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，研究團隊還建立了核躍遷和原子鐘之間的首個直接頻率鏈接，這將是開發(fā)核鐘并與現(xiàn)有計時系統(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，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、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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