利用激光束激发透明晶体内钍-229原子的原子钟有潜力在测量时间和重力方面提供无与伦比的精度，这甚至可能导致对某些基本物理法则的重新评估。然而，掺钍-229的晶体在可获得性方面有限，并且是放射性的。由干燥的钍-229前驱体制成的薄膜表现出与晶体相似的核激发，但由于其更具价格优势、较低的放射性和更小的尺寸，使其成为生产紧凑、经济且便携的原子钟的更具扩展性的选择。
利用激光激发嵌入透明晶体内的钍-229原子的原子钟有望实现时间和重力的最精确测量，可能会导致对基础物理原理的重新审视。钍-229掺杂的晶体稀缺且放射性。然而，由干燥的钍-229前驱体制成的薄膜可以产生与晶体相同的核激发，却更具成本效益、较低放射性和更小的尺寸，使得制作便携式原子钟的过程更为简单。
今年夏天，UCLA的物理学家成功完成了一项突破性的任务，使钍-229原子在透明晶体中吸收和发射光子，类似于原子电子的功能，这解决了长期以来对这一成就可行性的疑虑。通过使用激光提高原子核的能量状态——称为核激发——科学家可以开发出最精确的原子钟，从而实现更准确的时间和重力测量。这些进展甚至可能修正一些基础物理的原理。
然而，有一个挑战：掺钍-229的晶体既稀缺又放射性。最近在《自然》杂志上发表的一项研究由UCLA的一组化学家和物理学家提出了一种解决方案，创造了源自钍-229前驱体的薄膜，使用的钍-229要少得多，放射性水平与香蕉相当。该团队演示了这些薄膜能够实现核钟构建所必需的激光驱动核激发。这些薄膜的生产可以增强用于核钟和各种量子光学应用。
这一创新方法并不是将纯钍嵌入氟化物基晶体，而是将干燥的钍-229硝酸盐前驱体溶解在超纯水中并放入坩埚中。过程包括添加氟化氢以产生几微克的钍-229沉淀，然后将其与水分离并加热，直到蒸发并在蓝宝石和氟化镁制成的透明表面上不均匀聚集。
该团队将真空紫外激光的光束照射到制备的靶材上以激发核状态，正如之前UCLA的研究所详细说明的那样，并随即收集核发出的光子。
“使用氟化钍作为前驱体材料的一个关键优势是所有钍核都存在于相同的局部原子环境中，因此经历相同的电场，”共同作者、UCLA化学、生物化学和材料科学与工程教授Anastassia Alexandrova说道。“这种一致性确保了所有钍原子的激发能量相同，从而导致时钟更加稳定和准确。这一特性使得该材料非常独特。”
每个时钟的核心是振荡器。时钟通过计算振荡器完成预定数量的振荡所需的时间来测量时间。例如，在落地钟中，一秒可能对应于摆锤摆动一次；而对于石英手表，通常计算大约32,000次晶体的振动。
在钍核钟中，一秒被定义为大约2,020,407,300,000,000次核的激发和放松周期。显著更高的滴答率可以提高时钟的精度，只要滴答率保持稳定；任何变化都可能导致时间计算错误。本研究讨论的薄膜为核提供了一个稳定的环境，可以易于生产，并有潜力用于微加工设备。这一突破可能导致核钟的更广泛应用，因为它使得这些设备更具经济性和更容易制造。
目前现有的原子钟基于电子跃迁，是大型、设备齐全的真空装置，旨在捕捉原子并管理冷却系统。相比之下，基于钍的核钟将小得多、更坚固、便携且极其精确。
此外，除商业用途外，新的核光谱技术可能揭示宇宙一些最大谜团的答案。对原子核的先进测量为探索其性质及其与能量和环境的相互作用提供了新的途径。因此，这一发展使科学家能够批判性地评估他们关于物质、能量以及支配时空的基本法则的一些核心理论。
