你敢信嗎?全世界頂尖科學家死磕了二十年,連芯片光刻機都搞明白了,偏偏搞不出一個“鐘”需要的核心光源。今年2月,清華大學物理系丁世謙副教授團隊捅破了這層窗戶紙,把卡了全球二十年的技術瓶頸給突破了。
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這個鐘可不是咱們家里掛的擺鐘,它叫核鐘,比現在最牛的原子鐘還要準得多。準到什么程度?走3000億年,誤差都不會超過一秒,體積還比原子鐘小十萬倍,細過頭發絲上千萬億倍,肉眼和普通顯微鏡根本看不見。
很多人刷到這都會撇嘴,我活一輩子也就一百年,差個一秒半秒的,至于死磕這么久嗎?這話你要是說給搞導航搞航天的人聽,人家肯定得跟你說道說道。現在咱們天天用的衛星導航,不管是GPS還是北斗,靠的就是原子鐘的精準計時。
咱們初中都學過,時間乘以速度等于運行距離。速度越快,要得到精準的距離,對計時精度的要求就越高。現在的超音速、高超音速飛行器,天上高速運轉的衛星,哪個離得開超高精度的計時器。
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衛星導航定位有誤差,很大一部分原因就是計時器精度不夠。計時器誤差越小,定位就越精準,這套技術不光用在日常出行,絕大部分軍事武器也離不開衛星定位。現在咱們的武器能精準到打中一棟樓,可要是想在上萬公里外打中一只蚊子,目前全世界都沒人能做到,這就是極致精度的意義。
現在原子鐘已經做到運行六百億年誤差才一秒,不少人都覺得這就是人類計時的天花板了。實際上原子鐘天生帶物理局限,它靠原子核外的電子躍遷計時,電子在外層,很容易受外界電磁場干擾,精度早就摸到上限,再難突破了。
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科學家換了個思路,既然電子靠不住,那直接用原子核本身的能級躍遷計時行不行?這就是比原子鐘更厲害的核鐘的由來。原子核藏在原子最內部,穩得一批,幾乎不受外界干擾,天生就是做頂級計時器的好材料。
原理說起來通透,真落地做起來,那真就是卡得人沒脾氣。原子鐘刺激電子躍遷,用普通能量的激光就能做到。換了核鐘,原子核太穩定了,普通激光根本撼動不了它,必須得有一束高能量、極純凈的特殊波段真空紫外激光才行。
有人會納悶,人類連光刻機都能造,怎么會搞不出這么一束激光?光刻機確實有更短波長的紫外光,但光刻機追求的是更小的制程,光源穩定性遠遠達不到核鐘的要求,完全是兩個賽道的事。
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過去二十年,全球頂尖團隊前赴后繼試了無數方案。有人用足球場大的大型粒子加速器產生同步輻射光,有人折騰復雜的非線性光學晶體做頻率轉換。結果全都不盡如人意,要么光源強度不夠,要么穩定性達不到標準。
更尷尬的是還陷入了死循環,要造出合格的核鐘,得先有合格的光源,要驗證光源合格不合格,又得靠現成的核鐘測試。就這么著,這顆硬釘子把全世界卡了整整二十年。
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這次清華團隊最絕的就是沒跟著前人的老路死磕,另辟蹊徑從源頭換了技術思路,還把成果發到了國際期刊上,直接炸了全球科技圈。更讓人驚喜的是,核心團隊基本都是90后00后,還有一位本科生當核心作者。
之前全世界都在死磕直接造148納米的真空紫外光,動輒要造足球場大的加速器,成本高體積大,造出來還不一定能用。清華團隊換了個思路,用了“隔山打牛”的間接法。
他們先用兩束不同波長、不同特性的紅外激光,驅動一個裝滿特殊氣體的小腔體,做出了一個穩定高效的能量中轉站。再讓這個中轉站穩定輸出大家找了二十年的148納米真空紫外光。
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這套方案不用大型加速器,整個裝置就能放在實驗桌上,成本降了不說,性能還完全符合要求,一下子就打破了二十年的研發困局,大大加快了核鐘的研發進程。
等核鐘真正研發成功落地應用,給全世界帶來的變革絕對是顛覆性的。對咱們普通人來說,最直觀的變化就是衛星導航能精準到厘米級,出門找停車位、導航找小店再也不會偏個幾米找不到地方。
對通訊、航天、國防這些領域來說,那更是無法估量的技術飛躍。精度提升帶來的是整個行業上限的拔高,很多現在想都不敢想的應用,說不定很快就能變成現實。
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不少人總覺得科學家追求極致精度是鉆牛角尖,其實每一次對精度的微小突破,背后都是整個人類科技的跨步。今天咱們習以為常的手機導航,放在幾十年前,誰能想到這會變成人人都能用的日常呢。
參考資料:
百科 原子鐘
百科 核時鐘
清華大學 本科生Nature一作!清華師生攻克核光鐘核心瓶頸
上觀新聞 核心材料全球僅40克!3000億年誤差一秒的核鐘制造有多難?
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