薄膜技术使核钟所需钍-229剂量大大减少

科技日报北京12月19日电 （记者张佳欣）为了实现超精确计时，科学家开始研究如何建造核钟。然而一个巨大挑战是，核钟里使用的同位素之一——钍-229非常稀有。它具有放射性，而且提取成本高昂。据18日《自然》杂志报道，美国科学家找到了一种解决该问题的方法。他们开发出一种由钍-229前驱体制成的薄膜，使所需的钍-229剂量大大减少，有望将核钟的放射性降低至原来的千分之一，放射性水平与香蕉相当（香蕉天然含有放射性元素钾-40，一根香蕉的辐射量约为0.1 微西弗，这个剂量远低于人类日常暴露的辐射水平），且更具成本效益。

今年夏天，美国一个科研团队成功将钍-229原子核嵌入透明晶体中，使其像原子中的电子一样吸收和发射光子。当激光束照射到透明晶体中时，原子钟会激发嵌入在透明晶体中的钍-229原子核，以此产生最精确的时间和重力测量值。

现在，一个由美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校联合量子研究所科学家组成的团队，制作了一种四氟化钍（ThF4）薄膜，其表现出与晶体相同的核激发。

新方法不是将纯钍原子嵌入氟基晶体中，而是使用溶解在超纯水中的钍-229的干燥硝酸盐母体材料，然后将其移到坩埚中。加入氢氟酸后，会产生几微克的钍-229沉淀物。团队将其从水中分离出来并加热，直到其蒸发并且不均匀地凝结在透明蓝宝石和氟化镁表面。

在钍核时钟中，一秒大约相当于原子核的2020407300000000次激发和弛豫周期。如果弛豫率稳定，那么更高的弛豫率可以使时钟更精确；如果弛豫率发生变化，时钟就会计时错误。新薄膜为原子核提供了一个稳定的环境，这种环境易于构建，还可用于制造微加工器件。而且薄膜成本低、放射性低、尺寸小，意味着可以更容易地扩大生产规模，制造更小、更便宜、更便携的原子钟。