近日，《自然》期刊在其12月刊中以“时间之父：想要建造世界上第一座核钟的物理学家”为题，将德国联邦物理技术研究院（PTB）物理学家埃克哈德·佩克（Ekkehard Peik）列为2024年度推动科学发展的十大人物之一。他和他的团队在年初取得了一个真正的量子飞跃——无论是比喻上还是实际上。他们实现了多年来仅在理论上预测的事情：通过激光激发钍-229原子核的一个量子跃迁，从一个能级跃迁到另一个能级。这一科学突破可能使得所谓的核钟能够以前所未有的精确度运行。文章信息：Laser Excitation of the Th-229 Nucleus，Phys. Rev. Lett. 132, 182501，DOI：10.1103/PhysRevLett.132.182501。
与原子核的应用不同，激发原子壳层中的电子已经是一种广泛应用的方法：当激光的波长被精确选择时，电子从一个状态跃迁到另一个状态。这样，可以非常精确地测量一个原子或分子的特征能量。许多精密测量技术都基于此，比如我们今天的原子钟，以及化学分析方法。量子计算机中也使用激光在原子或分子中存储信息。
长期以来，将这些技术应用于同样可以处于不同量子态的原子核似乎是不可能的。这一突破是通过与维也纳技术大学的合作实现的：在PTB开发了一个所需的紫外线激光系统，波长约为148纳米，而维也纳技术大学的研究人员制造了含有大量钍核的晶体。这两项任务不仅是新领域，而且技术上非常复杂。但他们最终创造了可能性，在PTB中可以同时用激光击中大约十亿亿（10^16）个钍核。研究人员通过这种方法成功地精确击中了所需的钍跃迁能量，钍核首次发出了清晰的信号：激光束已经将它们的状态有目的地改变。在随后的一年中，美国的两个研究小组也成功地使用其他钍掺杂晶体和其他激光系统观察到了这一效应。
成功的激光核激发为制造一种比今天原子钟更精确的原子核钟打开了大门。它可能有助于回答量子研究的基本问题，比如我们的世界起源——例如，自然常数是否自大爆炸以来就是恒定的。如果现在实现的钍掺杂晶体得到进一步发展，钍核可以被有目的地植入晶体或分子中，从而获得关于微观材料属性的新信息。
