核钟终于运行了起来。图为核光钟核心。图源：丁世谦/清华大学

“这是计量学领域的一个里程碑。”日本国家计量研究所研究者Akio Kawasaki在《自然》同期发表的评论中写道。[3]

长期研究钍-229的美因茨大学课题组长Lars von der Wense博士向《赛先生》表示：“这两项成果都是该领域的突破性进展。”他认为，首批核钟的诞生，开启了基于原子核的时间频率基准的新时代。

今天最精确的原子钟，是利用原子中电子能级之间的跃迁作为频率基准。激光照射原子，当激光频率与电子跃迁频率匹配时，原子会产生共振。研究者可以利用这一信号不断修正激光频率，再通过计数稳定的振荡来计时。

核钟的原理类似，只是把钟摆从电子换成了原子核内部的能级跃迁。原子核比整个原子小得多，通常较少受到外部电场的扰动，因此被寄望于提供更稳定、准确的计时基准。

但大多数核跃迁的能量太高，现有激光难以触及。钍-229是目前已知的唯一例外：它的一次核跃迁能量仅约8.4电子伏特，对应波长约148纳米的真空紫外光，进入了激光可以探测的范围。

2003年，德国物理学家Ekkehard Peik 和 Christian Tamm 提出，利用钍-229这一特殊跃迁制造核钟。此后20多年，研究者一直在解决一连串基础问题：准确找到这道跃迁的频率，制造能够激发它的光源，并制备出适合实验的钍-229样品。

2024年，美国科罗拉多大学叶军团队与维也纳等机构的研究者合作，利用真空紫外频率梳直接激发钍-229核跃迁，测定其绝对频率，并将核跃迁与美国国家标准与技术研究院及科罗拉多大学博尔德分校联合实验室（JILA）的锶-87原子钟建立频率比联系。原子核的“钟摆”终于被真正看见了。

2026年，叶军团队又与维也纳团队合作，研究固态钍-229核钟的频率可重复性。研究者比较了不同晶体样品中的核跃迁频率，以评估这种新型频率基准在不同样品之间能否保持一致。这些工作推进了对钍-229核跃迁的精密测量，

但测到一个频率，还不等于做出一台钟。一台真正的钟，需要一个持续运行的反馈回路：它必须不断判断自己的“节拍”是否偏离了基准，一旦偏离，就自动调回来。对于核钟而言，这意味着研究者不仅要探测核跃迁，还必须足够快地读出这个信号，从而及时修正激光频率。

这正是此次两项研究解决的关键问题之一。[1,2]

使这一切成为可能的核心突破，是获得在148纳米核跃迁波长上的连续波（CW）激光。维也纳工业大学教授Thorsten Schumm告诉《赛先生》，如果每次都依靠被激发的原子核自发衰变来读取核跃迁，就需要等待大约10分钟。这对于实时校准激光频率来说太慢。连续波激光则可以持续探测原子核的共振，使研究者能够在几秒钟的时间尺度内发现探针激光的频率漂移，并迅速进行修正。于是，核钟形成了一个完整的反馈回路：探测核跃迁、判断激光频率是否偏离、修正激光，再次探测。

Thorsten Schumm说，“结合两支团队各自最好的技术，我们就能造出一台更好的核钟。” 图源：Matthias Heisler / TU Wien

“如果只用激光去测原子核的频率，就是对原子核进行探测；但是实现了闭环就不一样。”清华大学物理系副教授丁世谦解释说，“实现了闭环就等于说，我的激光就锁定在核跃迁上，现在激光就是一台核钟。”

两个团队都将钍-229嵌入氟化钙晶体。大量钍-229原子核被固定在毫米尺度的晶体中，激光照射后产生的微弱吸收信号被用来快速判断激光频率是否偏离共振。

在这些结果中，丁世谦最兴奋的，是论文第一张图中的误差信号曲线。这个信号直接来自钍-229的核吸收。也就是说，研究者第一次能够利用原子核本身产生的信号，持续控制一束激光的频率。

“我们在用一个百多纳米波长的激光在操控飞米尺寸的量子态。”他说。飞米——即千万亿分之一米，是描述原子核尺寸时常用的尺度。钍-229让激光能够触及这一尺度上的量子态，也让他期待一个更广阔的方向：“将来能不能像现在操控电子一样操控原子核？”

叶军对清华团队此次的成果表示祝贺。“我为世谦取得的成就感到非常自豪。他曾经是我们团队的博士后，在我们的实验室工作了五年。”叶军告诉《赛先生》。

叶军介绍，清华团队此次则使用连续波激光，将激光频率锁定在核跃迁上。“其中的主要突破在于连续波激光的产生，因为现在可以直接利用核跃迁来调控激光频率。”

值得注意的是，丁世谦在这一最新工作中的合作者，除了他自己，有三人曾在叶军实验室工作，包括丁世谦的博士后阎凌峰、北京大学量子材料科学中心研究员张熙博和中国计量科学研究院研究员林弋戈。

两组实验的基本思路相同，但光源和材料方案有所不同。

清华团队采用四波混频技术，利用镉蒸气，将不同波长的激光转换成148.4纳米的真空紫外光。

光源路线的选择，来自对旧文献的重新梳理。丁世谦回忆，他们翻阅了大量上世纪六七十年代的论文，重新考察四波混频技术如何产生连续波紫外光，并通过计算判断镉蒸气能否提供足够的转换效率。

“越读信心越大”，丁世谦提到，这个方案所需的技术大多也在他的经验范围内，团队于是着手开展实验。

最终，他们获得了约10微瓦的连续波真空紫外光。更强的光意味着让可以更快地读取微弱的核吸收信号，但也对探测器提出了要求：原有光电倍增管的读出方式会在较高光功率下饱和。团队因此改用光电管直接读取光电流，并配合低噪声放大器，从而把更强的光转化为有用的核吸收信号。[2]

材料也是关键。清华及上海光机所、上海硅酸盐所等合作者制备了两块含钍晶体。其中第二块晶体TS1使用的原料溶液只含约1.4微克钍-229，但晶体没有明显气泡，透光率也更高，使更多探测光能够穿过样品，到达探测器。[2]

丁世谦回忆，团队当时甚至考虑过把原料分成两份，以便失败后重新尝试。但在当时来看，信号会有多强也是未知的。如果分开，钍-229数量减少，信号也会变弱，如果运气不好，甚至有可能会弱到看不到的程度。最终，他们决定把极为有限的全部材料用于一次实验。

在这块晶体上，丁世谦团队进一步优化了调制参数、提高有效探测光功率，并减少数据处理占用的时间，使更多时间真正用于测量，核钟的频率不稳定度得到进一步降低。

维也纳团队则采用了不同的真空紫外光源。他们通过固体晶体中的非线性光学过程产生148纳米光。他们的光功率较低，但他们有更多的钍-229同位素，使用了钍浓度更高、光学质量更好的晶体。

Schumm告诉《赛先生》，两项工作的基本概念非常接近，主要区别在于实现方式。清华团队的优势是能够获得更高的真空紫外光通量；维也纳团队则在高浓度含钍晶体的制备方面积累了更多经验。“结合两支团队各自最好的技术，我们就能造出一台更好的核钟。” 他在邮件中写道。

目前，两台核钟的稳定度仍低于最好的光学原子钟。不过在相应的平均时间范围内，清华核钟报告的相对频率稳定度比维也纳团队高了六倍。[1,2]

核钟真正吸引物理学家的另一个原因，是它可能成为寻找新物理的工具。

钍-229的核跃迁具有一个非常特殊的性质：它的能量异常低。澳大利亚新南威尔士大学理论物理学家Victor Flambaum向《赛先生》介绍，钍-229这一跃迁的低能量，与原子核内部不同相互作用对能级能量的贡献近乎抵消有关。正因为存在这种抵消，某些基本物理常数如果发生极其微小的变化，可能在核跃迁频率中留下相对更明显的痕迹。早在2006年，Flambaum就提出，钍-229核跃迁可能被用来增强对基本物理常数随时间变化的探测灵敏度。

如果某些超轻暗物质模型成立，暗物质可能导致基本常数随时间发生极其微小的周期性变化。这样的变化有可能表现为核钟与普通原子钟之间频率比的周期性变化。

维也纳团队已经利用约一天的核钟—原子钟比对数据寻找这种信号，覆盖了从约20秒到一天的周期。

目前，他们没有发现统计上显著的暗物质信号，但为特定模型下暗物质与普通物质的相互作用强度给出了上限。其中，核钟对与电磁相互作用耦合的限制能与最好的原子钟结果竞争；对于涉及强相互作用的耦合，在论文采用的理论灵敏度估计下，核钟还能探查此前实验未触及的参数范围。[1]

这些限制依赖所假设的暗物质模型和核跃迁对基本常数变化的响应，不能推广为对所有暗物质的排除。它们展示的是：第一代核钟已经能够用于精密物理实验。

核钟现在面临的主要问题，是它还不够稳定。其中一个原因来自晶体本身。

清华团队发现，两块独立制备的晶体，其核钟跃迁频率在几百赫兹的水平上一致[2] 。维也纳团队则发现，在同一块晶体上改变光的照射位置，测得的跃迁频率可移动约1.7千赫兹。他们推测，这可能来自晶体结构不均匀造成的局部应变。通过提高探测光功率、增加光与样品的作用长度、探索其他含钍材料并压窄谱线，未来的不稳定度有望改善约四个数量级。[1]

丁世谦表示，领域内正在讨论更换晶体材料，争取获得更窄的核跃迁谱线。同时，他们也在尝试把钍-229放入离子阱中。与固态晶体相比，单离子核钟可以减少复杂的晶格环境带来的影响，也有望获得更窄的谱线。

没有参与这两项研究的von der Wense 也看好单离子路线。他认为，晶体方案可以同时测量大量原子核，提供较强的统计信号，但谱线会受到晶格环境的显著展宽。若将单个钍-229离子限制在保罗阱中，“这类单离子核钟将提供窄得多的线宽”，有望与最好的原子钟竞争。他也期待探索氟化钍等其他宿主材料，减轻晶格带来的展宽。“我们才刚刚开启频域计量学一个有趣的新时代。”

Flambaum同样认为，从潜力来看，基于单离子的核钟应该比现有的原子钟具有更高的精度。“它们有可能成为人类有史以来建造的最精准的仪器。”

Schumm 则告诉《赛先生》，实现核钟是他们近二十年研究工作的一个顶点，“在某种程度上，这是梦想成真。”

他预计，核钟的精密测量性能在未来一两年会有很大提升，并希望几年内出现可移动、乃至能够用于空间任务的设备。“最好的情况是，我们真的发现了暗物质的信号；最坏的情况是，我们只是造出了一台很棒的钟，具有集成和小型化的潜力。”

叶军也认为，核钟“未来几年这一领域的进展会很快”，虽然本次工作核钟的性能与此前其团队实现的原子钟相比还“相差超过5个数量级”。叶军还透露，他所在的实验室现在也已经有了连续波激光器。

对于丁世谦而言，接下来的方向没有那么确定。

“我们现在属于一个有很多很令人兴奋的研究方向可以去探索的阶段。”他说。提高核钟性能是一条清楚的路，但当研究者真正能够开始操控原子核之后，还会出现什么新的物理现象，现在很难预料。

六年前，当他刚进入这个领域工作时，激光操控原子核是个巨大的诱惑，但也只是个非常大胆的设想。

如今，这件事已经发生在实验室里。

“你之前幻想的一个东西，忽然一天，幻想照进现实。”丁世谦说，“当时都不敢把这个东西作为理想，它真的是幻想照进现实。这确实是非常神奇的体会。”

作者简介：

晨星，赛先生科学写作小组成员，物理学博士，一个尘世伴读小书童。

参考文献：