超越原子钟：全球十余个团队竞相打造下一代时间标准“核钟”，清华团队率先实现百纳瓦级激光功率输出

3 月 29 日消息，物理学家正朝着打造“核钟”（Nuclear Clock）的目标稳步迈进。这种设备通过测量原子核内部的能量跃迁来计时，有望成为地球上最精确的时钟。

数十年前，科学家就预测同位素钍-229 可用于制造核钟，但其独特的原子核能量跃迁特性始终难以精确测定。2024 年，研究人员首次利用激光成功激发这一跃迁，标志着核钟研制进入倒计时。

加州大学洛杉矶分校物理学家埃里克 · 哈德森表示，核钟的问世“比人们想象的要近得多”，“我相信在 2026 年就能看到核钟的测量结果。”

目前，分布在中国、欧洲、日本和美国的近十几个研究团队正加紧组装核钟所需的各个组件，包括放射性钍-229 的来源，以及用于激发核跃迁的高功率连续波紫外激光器。

在上周于科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会全球物理峰会上，研究人员展示了各自的进展，其中包括激光器研发的细节。

加州大学伯克利分校量子科学执行主任克莱尔 · 克拉默（Claire Cramer）对固态核钟的潜力表示乐观，她认为“这对于商业应用来说是一项非常有前景的技术”。

这是因为核钟对噪声干扰具有更强的抵抗力，且设计紧凑，适用于实验室外的场景。此外，其精度有望超越当前计时领域的顶尖设备 —— 光学原子钟，后者每 4000 亿年才误差一秒。

无论是怀表还是物理实验室的计时器，计时原理本质上都是计数快速、规律的事件 —— 即时钟的“嘀嗒”声。在光学原子钟中，这些“嘀嗒”声对应原子中电子在基态和激发态之间的跃迁。波长在 350 至 750 纳米范围内的激光（即可见光或光学波段）可激发这一跃迁，使其每秒“嘀嗒”数万亿次。而核钟计数的则是钍-229 原子核在不同能态之间的跃迁。

半个世纪以来，钍-229 核跃迁的精确能量一直悬而未决。直到 2024 年，由加州理工学院物理学家张传坤与科罗拉多大学博尔德分校 JILA 研究所的物理学家叶军领导的实验最终确定了这一跃迁。他们利用频率梳 —— 一种可同时以约 3000 万个频率照射晶体的激光 —— 以超高精度确定了该跃迁。

然而，要在实用的核钟中实现这一跃迁，科学家需要一台功率稳定、波长为 148 纳米左右的连续波紫外激光器，而此类激光器尚未研制成功。

在打造这类激光器方面，中国清华大学研究团队上个月取得了令人瞩目的进展。该团队已在 148.4 纳米波长处实现了 100 纳瓦的功率输出。尽管研究人员对这项进展表示赞赏，但在 APS 会议上，一些人对该激光器的长期应用前景持保留态度，因为其需要将有毒的镉蒸气加热至 550 摄氏度。

另一种方法是利用特种晶体将光学激光的波长转换至 148 纳米。叶军表示，使用一种特定晶体的初步测试已能提供近乎稳定的 40 微瓦功率。他未透露该晶体的具体成分，仅称其“前景极好”。他的团队与位于马萨诸塞州马尔伯勒的激光制造商 IPG Photonics 合作，该公司已为一种生长特定四硼酸锶晶体的方法申请了专利。

哈德森坦言，学界尚未找到最终解决方案。“但我认为，这是个之前没人需要解决的技术问题，现在我们会把它解决。”

同时，研究人员还在想办法攻克稳定的钍-229 源。而在这一领域，业界目前出现了两种主流方案：使用嵌入固态晶体中的数万亿个钍-229 离子，或者是在离子阱中捕获少量离子。

晶体方案因使用大量钍-229 离子而能提供更强的时钟信号，但受限于稳定性。稳定的核钟需要极窄的核跃迁线宽。叶军的团队使用掺有钍-229 离子的氟化钙晶体，目前获得的信号线宽约为 30 kHz—— 这对于稳定时钟而言仍然过宽。与会研究人员推测，线宽过宽可能与氟化钙晶体中的杂质有关。一些团队正在探索其他类型的晶体，甚至更易制造、杂质更少的晶体薄膜。哈德森对四氟化钍（曾用于相机镜头的放射性涂层）和氧化钍尤为乐观。

即便如此，使用晶体作为钍-229 源可能仍无法提供核钟所需的足够精度，因为晶体本身会自然展宽时钟信号的线宽。正因如此，研究人员也在追求离子阱方案，即将钍-229 离子冷却并悬浮在微开尔文的超低温度环境中。叶军表示：“如果追求真正的超高精度，最终还得用离子阱实验。”目前，尚无团队成功实现钍-229 的离子阱捕获，但与会研究人员表示，这只是一个时间问题。

附论文地址：https://doi.org/10.1038/d41586-026-00848-7