清华团队实现钍-229核光钟稳定运行，我国跻身国际首批核光钟研制队伍

近日，清华大学物理系丁世谦副教授团队联合多家合作单位，在量子精密测量领域取得里程碑式重大突破。研究团队依托自主研制的148纳米连续波真空紫外激光，搭配特制掺钍-229氟化钙晶体，成功将激光频率锁定至原子核跃迁，实现钍-229核光钟稳定运行。该成果以《锁定至钍-229的核钟》为题在线发表于国际顶级学术期刊《自然》。这项工作与欧洲科研团队同期独立完成，中国团队并肩跻身全球首批实现钍-229核光钟稳定运行的科研队伍，标志我国在量子精密测量这一前沿赛道抢占关键制高点，将人类精密计时的观测尺度从原子电子跃迁推进至原子核内部。

时间基准是现代科技体系的底层基石。从卫星导航定位、金融网络时间同步，到5G通信、深空探测，几乎所有高技术系统都依赖高精度的时间频率基准。人类计时工具历经机械钟、石英钟、微波原子钟，如今原子光钟已是当前精度最高的计时装置。但原子光钟依托原子外层电子能级跃迁作为参考，电子容易受到外界电磁场、温度扰动干扰，同时设备结构复杂，难以小型化部署。二十余年前，国际科学家提出钍-229核光钟构想，利用钍-229原子核内部独特的低能级跃迁作为频率参考。原子核深埋于原子内部，对外界电磁扰动的敏感度远低于核外电子，原理上有望突破原子光钟的精度上限，构建下一代时间频率标准，被视作本世纪量子精密测量领域最受期待的目标之一。

钍-229原子核的激发能级对应波长约148纳米的真空紫外光，这也是核光钟实现闭环锁定的核心。但长期以来，两大难题横亘在全球科研人员面前，成为核光钟从理论走向实物的巨大障碍：一是缺少148纳米波段的连续波窄线宽真空紫外激光，此前国际上仅能使用脉冲激光开展实验，无法实现稳定的频率锁定；二是钍-229同位素资源极其稀缺，获取难度极大，难以制备满足实验需求的掺杂晶体。

丁世谦团队从光源这一核心瓶颈入手，自主研发激光频率转换方案，在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光。该光源线宽远低于100赫兹，在140至175纳米波段连续可调谐，同时控制相位噪声，能够精准驱动钍-229原子核跃迁，为核光钟闭环运行打下核心硬件基础，相关光源成果已于2026年2月发表在《自然》。解决光源之后，团队联合中科院上海硅酸盐研究所、上海光机所等合作单位，挑战微量核素晶体生长技术。科研人员仅使用1.4微克钍-229原料，一次性生长出毫米尺度高质量掺钍-229氟化钙晶体，以极少的稀缺核素资源完成核心样品制备，大幅降低核光钟对稀有同位素的依赖。

在核心光源与核钟晶体基础上，团队进一步开发基于吸收谱的核量子态快速读取技术，完成钍-229核跃迁吸收光谱测量，最终实现激光频率向核跃迁能级的稳定锁定，完成从光源、晶体、光谱探测到闭环锁定的整套技术体系搭建。丁世谦介绍，本次清华团队实现的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队近一个数量级，在有限核素供给条件下实现国际领先性能。值得关注的是，这支攻坚队伍中多名00后青年科研人员参与其中，三名清华博士生担任论文共同第一作者，青年力量成为前沿基础研究的攻坚主力。

核光钟的成功运行，意味着人类的量子操控能力正式延伸至原子核尺度，其科学价值与应用潜力十分广阔。在工程应用层面，固态核光钟具备小型化、工程化的潜在优势，未来有望部署在卫星平台，支撑更高精度的卫星导航与深空探测，为跨天体距离的测控通信提供超高稳定时间基准。在基础物理研究领域，核光钟可以作为超高灵敏度的精密探测平台，用于检验广义相对论、精细结构常数是否随时间变化等基础物理假设，帮助科学家探索基本物理规律是否存在新的变化。除此之外，核光钟相关的真空紫外激光、核量子态探测技术，还可以辐射到光谱分析、核物理探测等其他前沿领域。

此次中国团队与欧洲团队同期独立实现核光钟运行，是一场高水平的国际科研赛跑。过去数十年，核光钟研究长期由欧美实验室主导，而我国团队凭借自主光源、晶体材料、光谱测量整套自研技术路线，在这场国际竞争中实现同步突破，不再是单纯跟进，而是并行跻身第一梯队。这一成果也印证，我国在量子精密测量、真空紫外激光、特种晶体材料等方向，已经形成完整的本土协同攻关能力。

丁世谦团队表示，当前核光钟已实现稳定运行，但距离工程化实用化仍有较长的迭代周期。下一步团队将持续优化核光钟的稳定度、准确度，进一步压缩系统体积，同时持续挖掘核跃迁精密测量的科学潜力，依托这套实验平台开展更多基础物理检验实验。