为什么有原子钟而没有核钟?毕竟，原子核通常被许多电子包围，因此原则上它应该不太容易受到外界噪声(以光的形式)的影响。对于高原子序数的原子来说，原子核包含的粒子比元素的电子多。它几乎占据了原子的全部质量，而只占原子空间的 1/100,000。虽然第一台原子钟于 1949 年发明，但核钟至今尚未实现。

原因很简单，激发原子核进入更高能态所需的能量比激发原子所需的能量大得多。原子钟通常用能量为 4 x 10 -5电子伏特的光子激发铯原子。目前认为，最有希望成为潜在核钟的原子核是钍-229，其核激发态所需的光子能量约为 8 电子伏特，比原子核高出 20 多万倍。这是微波与紫外线的对比。此外，光与原子核之间的相互作用可能很弱。

现在，来自中国的科学家发现了一种更强、更有效的光与原子核之间的相互作用——高度电离的钍-229 的 10% 以上的原子核可以用单个激光脉冲激发。钍的原子核周围通常有 90 个电子(其原子序数)，该团队去除了其中的一个电子，产生了类似氢的钍，其电子电荷为 +89，来自原子核中所有质子减去一个电子。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。

现有的原子钟利用原子的共振频率来工作。利用一组可以处于两种能级的原子，用能量恰到好处的激光照射较低能级的原子，以将尽可能多的原子泵送到较高能级。

辐射频率越精确，跃迁至更高能级的原子就越多。不同类型的能级被分离，高能原子衰变为低能级，发出相同特征频率的光，对于铯-133原子来说，该频率恰好是 9,192,631,770 赫兹。入射光随后将原子再次泵入更高的能级，随后进行衰变，依此类推。

通过对入射光频率进行足够的调整，最多有低能态原子再次共振跃迁到高能态。依此类推。这样，原子就可以用作振荡器，这是所有时钟的基础。

论文第一作者、中国工程物理研究院张汉旭及其同事表明，目前可用的强激光和类氢钍原子229 Th 89+可能能够实现原子钟核模拟所需的共振。使用 10 21瓦/厘米2的强激光脉冲，可以以 10% 的概率激发该原子核的异构体(原子核的亚稳态) 。

当这些高度离子化的钍原子跃迁回较低能态时，它们会发出多种波长的光，这些光是异构体跃迁频率的谐波(频率的整数倍)，时间约为 0.01 秒。(裸钍核229 Th 90+的跃迁时间约为一千秒。)

这为基于原子核的相干光发射提供了新的机会——具有相同的频率，但来自不同跃迁的光之间具有恒定的相位差，类似于激光。

10% 的跃迁概率与异构体的典型能量跃迁相比具有高度非线性变化，其中核超精细混合是由钍89+上的单个 1s 电子的磁场引起的。(电子的磁偶极矩比核态的磁偶极矩大约大 1,000 倍。)

强磁场会精细地改变(“分裂”)无电子同位素 Th 90+的核能级，同时显著缩短上能级寿命，如上图所示，约为 100,000 倍。这种共振可能为核光钟开辟道路。

研究团队发现，将激光的能量强度提高四个数量级，单个激光脉冲激发(至同质异能态钍89+)的概率就会从随能量线性变化变为高度非线性变化，增加了 14 个数量级(见上图)。此后，它不会随着能量强度的提高而进一步增加。

这样，核能跃迁的概率就从大约 10 -15增加到 10 -1(10%)。再加上共振频率，这一巨大的增长为核钟的研制开辟了道路。

研究小组写道：“这些结果开辟了光与物质相互作用的新领域，为利用光操纵原子核提供了令人兴奋的前景。发现一种新的核相干光发射机制将对各个研究领域产生更广泛的影响。”

他们指出，他们的研究结果可以通过现有的实验装置轻松实现，“强调了其实际意义和直接适用性。”

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