中国科学家研制成功世界首个稳定运行核光钟：148纳米真空紫外激光驱动钍-229核跃迁，成果发表于《自然》

据新华社等媒体从清华大学获悉，我国科学家利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光以及掺钍-229氟化钙晶体，在国际上率先研制出核光钟并实现其稳定运行，将量子精密测量由电子跃迁拓展至原子核跃迁。这一突破性成果于10月7日晚在线发表于国际权威期刊《自然》。

核光钟是利用激光精确驱动放射性同位素“钍-229”实现其原子核内部能级跃迁，并以这一核跃迁频率作为基准的计时装置。清华大学物理系主任、杨振宁高等研究院教授翟荟表示，核光钟有望成为新一代时间频率基准，其研制成功是本世纪以来量子精密测量领域的重要突破，“意味着人们对量子操控的能力深入到原子核尺度，为量子精密测量和量子操控开辟了新的研究方向”。

从“听电子的节拍”到“听原子核的节拍”

清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦介绍，原子钟是利用原子内部电子在特定能级间的跃迁作为频率基准，相当于“听电子的节拍”；而核光钟则把“钟摆”放进原子核内部，利用原子核不同能级间的跃迁来计量时间，相当于“听原子核内部的节拍”。由于原子核尺度远小于原子尺度，受外界电磁环境扰动影响更小，核光钟有望提供比传统原子钟更高精度、更实用的时间频率基准。

核光钟概念图（图自清华大学）

四年攻关，突破两大核心难题

丁世谦带领团队历经4年多攻关，在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光，解决了精确驱动钍-229原子核内部能级跃迁的核心光源难题；同时与合作团队共同研制出微量钍-229掺杂氟化钙晶体，为核光钟研制奠定了核心技术基础。

将148nm激光频率锁定到钍-229核跃迁上，实现核钟闭环（图自清华大学）

在此基础上，团队将激光频率稳定锁定至核跃迁，实现核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队接近一个数量级，性能国际领先。“目前，我们已建立从核心光源、核光钟晶体、核跃迁光谱到闭环运行的完整技术体系。”丁世谦说。

核光钟实验装置核心区域（图自清华大学）

一场“激烈但友好”的全球竞赛

核光钟是当前量子精密测量领域国际竞争的重要前沿。据《中国科学报》此前报道，今年6月，中国和欧洲两个团队分别在预印本平台arXiv公布研究成果，研制出世界上首批核光钟，两个团队的核光钟运行可靠性相当，一天内的漂移量仅相当于300万年内约1秒。不过这一稳定性仍低于目前最先进的原子钟——后者每400亿年才出现约1秒误差。

在具体技术路线方面，丁世谦团队使用的激光器功率高于欧洲团队，但所用晶体的钍-229原子浓度较低，两台核光钟产生的信号总体具有可比性。欧洲团队主要成员、奥地利维也纳工业大学学者Thorsten Schumm表示，研制核光钟是“梦想成真”，这一领域“正面临一场激烈但友好的全球竞争”。

丁世谦（中）和团队（图自清华大学）

应用前景

科研人员认为，固态核光钟具有潜在的小型化和工程化优势，未来有望为卫星导航、深空探测等场景中的高精度时间频率需求提供实用的技术选择。此外，由于钍-229核跃迁对基本常数变化等新物理效应具有显著增强的灵敏度，核光钟还可为检验基本物理规律提供新的精密探测平台。