计时
技术是现代社会的支柱，从我们日常使用的时钟和手表，到支撑手机、汽车GPS的系统，精确的时间测量无处不在。通信网络、电力系统和金融交易等关键领域，都依赖于高度精准的时间同步。
今年早些时候，物理学家在时间测量领域取得了一项重要突破：
他们成功让嵌在晶体中的
钍-229原子核
像原子中的电子那样吸收和发射光子，在精确计时方面取得了长足的进步
。
（详见
《核钟倒计时！！！》
）
然而，
由于钍-229的稀缺性和放射性，使得高浓度的
钍-229
掺杂晶体的制造和应用面临诸多挑战。
在最近发表在《自然》杂志的一项研究中，研究人员通过创新的制造工艺显著减少了
钍-229的用量，同时降低了放射性和成本。这一突破不仅有望
使新一代核钟更加精准，还可能实现更小型、更便携的核钟设计，并为量子光学研究打开新大门。
精确计时
计时技术的演变贯穿了人类社会的发展历程
。从新石器时代起，人们就已经懂得观察并利用天光来标记时光的轮转。在爱尔兰纽格莱奇遗迹的入口上方，有一个特殊的开口设计，能在一年中天光最短的日子，也就是12月21日冬至前后，将阳光引入通道深处的墓室。
到了公元前2000年左右，
水钟
成了最古老的计时工具之一。它通过调节流入或流出容器的水流巧妙地记录时间。
到了13世纪晚期，机械钟的问世，为时间测量带来了革命性突破
进入现代社会，我们对计时精确度的要求越来越高。
秒
已经成为计时的核心单位。1967年之前，秒被定义为一天的1/86400
（即24时×60分×60秒 = 86400）
。
后来，国际单位制改变了这一定义，将秒和铯-133原子的跃迁频率联系在了一起：
在一秒中，铯-133的电子的特定跃迁会发生9192631770次
，这一
频率值可以表述为
9192631770赫兹
（Hz）
，等同于
9192631770秒⁻¹
（s
⁻¹
）
。
这个定义的核心就是
跃迁频率
。当原子中的电子吸收能量时，会跃迁到更高的能级，经过一段时间后又会释放能量回到低能态。类似于喝下一杯咖啡后，你突然短暂地获得了能量，直至咖啡因的作用消失。而跃迁频率就是指在特定时间段内预计发生跃迁的次数。这种频率可以用来定义并测量时间，也是制造高精度原子钟的基础。
目前，
铯-133的
跃迁
频率提供了最精确的“秒”的定义
。但是，科学家相信这一定义仍有改进的空间。
测量更高频率
简单来说，
跃迁频率越高，单次的误读对总精度的影响就越小
。可以这么理解，如果一种计时每秒发生50次跃迁，另一种每秒发生5000次。那么每
错一次造成的准确性损失，前者就将是后者的100倍。
铯-133的跃迁频率位于电磁波谱中的微波范围，
而微波频率低于可见光的频率。目前，科学家们正通过探索
发生在原子核内的更高频率的
核跃迁
来
提高计时精度。
例如，有研究通过使用跃迁频率高于铯的锶元素
（其跃迁频率
处于可见光范围
）
成功进行了相关测量。类似的研究方向为开发超越原子钟的核钟技术开辟了新的道路。
然而，这项技术面临不小的挑战，
因为对大多数原子而言，改变核的能态需要极高的能量，远超现有的技术水平。但在今年9月发表的论文中，科学家以空前的精确度，观测到了相对较低能的钍-229核跃迁，攻克了创建钍核钟的一项关键难题。
进一步改进
但这里还有个棘手的问题：
掺杂钍-229的晶体非常少见，并且具有放射性
。在最新的研究中，团队或许已经探索出了解决之道。
他们改变了制造方法，开发出一种
由钍-229前体制成的薄膜
。这种方法并不同于将纯钍原子嵌入氟基晶体中，而是用溶解在超纯水中的钍-229干硝酸盐母材料，注入坩埚。加入氟化氢后，就会产生几微克的钍-229沉淀，再从水中分离出来进行加热，直到它蒸发并不均匀地凝结在透明蓝宝石和氟化镁
表面。
中间的深紫色圆圈是一个钍薄膜靶。（图/Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado）
研究人员用真空紫外线激光系统激发薄膜靶中的核跃迁，随后收集核发出的光子。
这样一来，所有钍核都处于相同的局域原子环境中，感受到相同的电场。所有钍都有相同的激发能量，就能让时钟更稳定。
更重要的是，这种薄膜
需要的钍-229要少得多，放射性和香蕉一样低
。薄膜的制造也相对简单，生产规模易于扩展，这意味着它能降低成本，使核钟更便宜，进而得到更广泛的应用。
一份氟化钍薄膜样本。（图/ Ye Labs, JILA, NIST and University of Colorado）
