薄膜技術使核鍾所需釷-229劑量大大減少

科技日報北京12月19日電 （記者張佳欣）為了實現超精確計時，科學家開始研究如何建造核鍾。然而一個巨大挑戰是，核鍾裏使用的同位素之一——釷-229非常稀有。它具有放射性，而且提取成本高昂。據18日《自然》雜誌報道，美國科學家找到了一種解決該問題的方法。他們開發出一種由釷-229前驅體制成的薄膜，使所需的釷-229劑量大大減少，有望將核鐘的放射性降低至原來的千分之一，放射性水平與香蕉相當（香蕉天然含有放射性元素鉀-40，一根香蕉的輻射量約為0.1 微西弗，這個劑量遠低於人類日常暴露的輻射水平），且更具成本效益。

今年夏天，美國一個科研團隊成功將釷-229原子核嵌入透明晶體中，使其像原子中的電子一樣吸收和發射光子。當激光束照射到透明晶體中時，原子鐘會激發嵌入在透明晶體中的釷-229原子核，以此產生最精確的時間和重力測量值。

現在，一個由美國國家標準與技術研究院和科羅拉多大學博爾德分校聯合量子研究所科學家組成的團隊，製作了一種四氟化釷（ThF4）薄膜，其表現出與晶體相同的核激發。

新方法不是將純釷原子嵌入氟基晶體中，而是使用溶解在超純水中的釷-229的乾燥硝酸鹽母體材料，然後將其移到坩堝中。加入氫氟酸後，會產生幾微克的釷-229沉澱物。團隊將其從水中分離出來並加熱，直到其蒸發並且不均勻地凝結在透明藍寶石和氟化鎂表面。

在釷核時鐘中，一秒大約相當於原子核的2020407300000000次激發和弛豫週期。如果弛豫率穩定，那麼更高的弛豫率可以使時鐘更精確；如果弛豫率發生變化，時鐘就會計時錯誤。新薄膜為原子核提供了一個穩定的環境，這種環境易於構建，還可用於製造微加工器件。而且薄膜成本低、放射性低、尺寸小，意味着可以更容易地擴大生產規模，製造更小、更便宜、更便攜的原子鐘。