向更精准计时迈进 中国科学家成功研制核光钟

10月5日在清华大学实验室拍摄的核光钟实验装置核心区域。新华社发

新华社北京10月7日电（记者魏梦佳）中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一种特殊放射性同位素“钍－229”实现其原子核内部的能级跃迁，并以这一核跃迁的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。

“核光钟的研制成功及稳定运行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。”他说。

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的电子在特定能级间的跃迁作为频率基准，好像“听电子的节拍”，而核光钟则是把“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”来计时。

科学家认为，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，因而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。

9月28日，清华大学研究团队在实验室工作。新华社发

为此，丁世谦带领团队，历经4年多艰难攻关，最终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。

在此基础上，团队又将激光频率稳定锁定至核跃迁，实现了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。

科研人员认为，核光钟是当前量子精密测量领域国际竞争的重要前沿，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。