用一粒“微尘”，把原子核做成“钟摆”
■本报记者 陈彬
打开手机导航，输入目的地，一条最优路线便呈现在眼前。很少有人会意识到，这看似平常的操作，本质上是一场对时间的精密测量。
卫星导航的核心原理并不复杂。卫星向终端发射信号，终端通过测算信号传播时间，乘以光速，便能得出卫星与终端间的距离，再结合多颗卫星的数据完成定位。
“距离测量被转化为时间测量，这样的操作并不少见。”在近日接受《中国科学报》采访时，清华大学物理系副教授丁世谦介绍说，由于目前人类对时间的测量精度远高于对其他物理量的测量精度，所以长度、电压等诸多基本物理量的计量都以时间为基准进行定义。这意味着计时精度每推进一步，科学技术边界便向外拓展一分。因此，人类一直都在探寻更精确的时间测量手段。
如今，该领域迎来一项突破。丁世谦团队利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光，以及与合作单位共同研制的掺钍-229氟化钙晶体，实现核光钟运行。相关成果近日在线发表于《自然》。
“这意味着人类计时的‘钟摆’第一次从原子外层的电子深入到了中心的原子核。”丁世谦说。
从电子到原子核
想了解清楚什么是“核光钟”，要从原子钟说起。
如今，原子钟被广泛应用于卫星导航等领域，其基本原理是依靠原子最外层电子在不同能级间跃迁时发出的微波进行计时。电子就像一个永远匀速摆动的小钟摆，一秒钟摆动几十亿次，数它摆动了多少次，就能知道过了多长时间。
“这类钟技术成熟、结构牢固，但精度有‘天花板’，大约几百万年会有1秒的误差。”丁世谦说，在此基础上，如果将微波替换为频率高出数万倍的光学信号，其精度便可提升至几千亿年不差1秒，这就是目前人类最精确的计时工具——原子光钟。然而，它存在一个难以克服的问题。由于电子处于原子最外层，极易受到温度、磁场、震动等外界环境的干扰，因此高精度原子光钟至今仍局限于实验室环境。
核光钟的构想正是为突破这一瓶颈而生。它不再以原子外层电子的跃迁为频率参考，转而利用原子核内部的能级跃迁。
丁世谦介绍说，原子核内部同样存在由质子和中子组成的能量层级，核子也会在不同层级之间跃迁，即所谓“原子核跃迁”。但由于原子核处于原子中心位置，其尺度远小于原子，质量又远大于电子，所以外界扰动对原子核跃迁的影响小得多。相应的，其跃迁频率也稳定得多。“这样一来，核光钟的精度更高。”
不过，要造出高精度的核光钟并不容易，其中一个难点便是找到合适的原子核。
唯一的“候选者”
不同于电子的单一性，目前人类已知的原子核有20余万种，但其中绝大多数内部的激发态跃迁能量在万电子伏特以上。
“这意味着要想通过激光输入能量的方式实现原子核跃迁，单光子激光的能量需求非常大，对应的波长要小于0.1纳米。现阶段，人类无法制备这类激光器。”丁世谦说。
然而，钍-229是个例外。作为放射性核素，该元素实现原子核跃迁所需的能量只有8.4电子伏特，人类只要通过波长为148纳米的真空紫外光照射便可以实现这一能量输入。但是148纳米属于真空紫外波段，会被空气强烈吸收，因此必须在真空环境中传播。更关键的是，核光钟需要的是持续稳定的连续波激光照射，而非目前比较普遍的脉冲激光。
多年来，国际上始终无人能制备出148纳米连续波真空紫外激光。直到2022年，丁世谦团队提出连续波激光方案并启动攻关。今年2月，团队在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光。相关成果发表于《自然》。阻碍核光钟研发的一个关键性难题被破解。
一个问题解决了，另一个更为严峻的挑战冒了出来。
钍-229的半衰期相较于地球45亿年的历史并不算长，地球上已经不存在其天然矿藏，只能通过核反应堆少量生产，而我国相关核素获取渠道受到国外严格限制。这导致整个项目中，团队可支配的钍-229仅有1.4微克。
研制核光钟，需要把这点比一粒细尘还轻的钍-229掺杂进氟化钙晶体里，让晶体中布满钍-229原子核。由于原料太少，团队没有任何试错空间。
最终，在多方协同下，团队联合中国科学院上海光学精密机械研究所、上海硅酸盐研究所、上海应用物理研究所等单位，一次性生长出毫米尺度的高质量掺钍氟化钙晶体，单次生长所用核素仅为欧洲团队的约1/200。
有了激光和晶体，团队进一步开展了核跃迁精密光谱测量。
“当148纳米激光照射晶体时，若激光频率与钍-229原子核的跃迁频率吻合，原子核便会吸收部分光子，从而导致光谱产生变化，但这一吸收信号极其微弱，仅为万分之一量级。”丁世谦说，为此，团队开发了快速核跃迁频率读取技术，成功将极弱信号从噪声中提取出来。
提取信号的最终目的是把激光频率牢牢锁定在原子核的跃迁频率上。丁世谦表示，现实环境中，温度变化、机械震动乃至供电电流的波动，都会造成148纳米激光的频率发生偏移，导致钍-229原子核对光子的吸收减少。凭借快速核跃迁频率读取技术，这一变化会被相关设备迅速捕捉，并据此实时反馈修正激光的频率，使其始终稳定在钍-229核跃迁上。
“在这种状态下，钍-229原子核不再只是被激光探测的对象，而成为稳定激光频率的高精度量子参考。我们只要对校准后的激光频率进行测量，便可以实现对时间的精准计算。”丁世谦说，“这就是核光钟。”
不仅仅是计时器
核光钟的实现，不只代表着人类获得了一台更精确的计时器。丁世谦告诉《中国科学报》，在应用层面，未来如果能在现有固体平台基础上，完成核光钟的工程化和小型化，便有望为卫星导航、深空探测和国防安全等场景提供新一代高精度时间频率基准。
“当前，我们的装置尺寸约为1.5米宽、3米长，仍处于原理验证阶段，而且148纳米激光目前也无法在空气中传播。这意味着我们距离实际部署仍有较长的路要走。”丁世谦说。
值得一提的是，在基础科学层面，由于钍-229核跃迁对基本常数变化等新物理效应的灵敏度较高，因此核光钟可为检验基本物理规律提供前所未有的精密探测平台。
此外，核光钟的实现更意味着“人类的量子操控能力首次深入到原子核尺度”。丁世谦表示，后续团队将探索把钍-229原子核引入离子阱平台，将现有量子计算相关技术复用至原子核跃迁的相干操控，有望催生“核量子光学”这一全新学科方向。
“我们希望借助这项技术在人类探索微观世界的版图上，撬开一道新的‘门缝’。”丁世谦说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-11122-1