從古老的日晷、擺鐘到石英鐘，再到當(dāng)今最先進(jìn)的光學(xué)原子鐘，人類計時的精度已經(jīng)達(dá)到了每 400 億年僅誤差一秒的驚人水平。而在人類追求精準(zhǔn)計時的歷史上，每一項重大突破都伴隨著我們對微觀物理世界認(rèn)知的深化。

物理學(xué)家并未止步于此。在經(jīng)歷了數(shù)十年的理論預(yù)測與實驗探索后，一種基于原子核能級躍遷的全新計時設(shè)備——“核時鐘”（Nuclear Clock），正悄然走向現(xiàn)實。它比當(dāng)前頂級的光學(xué)原子鐘更為穩(wěn)定、緊湊且抗干擾，有望成為地球上最精確的計時儀器。2026 年 3 月，在美國物理學(xué)會全球物理峰會上，來自中美歐日等地的研究團隊分享了最新進(jìn)展：核時鐘組裝已經(jīng)進(jìn)入最后階段，計時精度的新巔峰即將到來。

從原子到原子核：計時的范式轉(zhuǎn)移

此前，光學(xué)原子鐘的計時功能來自原子核外電子在不同能級之間的跳躍。這種跳躍受激光驅(qū)動，頻率極高，每秒可達(dá)數(shù)萬億次。然而，由于電子處于原子的外層，它們極易受到環(huán)境電磁場的干擾，這限制了時鐘在實驗室外的穩(wěn)定性與精度。

相比之下，核時鐘的計時原理則來自原子核內(nèi)部。原子核的質(zhì)量和電荷分布決定了其能級狀態(tài)。核時鐘通過測量原子核在基態(tài)與激發(fā)態(tài)（異構(gòu)體狀態(tài)）之間的能量躍遷來計時。由于原子核的體積極小，僅為原子的萬分之一，且被密集的電子云包圍，其受環(huán)境噪聲（如溫度波動、電磁干擾）的影響微乎其微，因此也能容納遠(yuǎn)多于光學(xué)晶格原子鐘的發(fā)射體，只需相對簡單的熱控（約 -77 °C）即可實現(xiàn)場部署型緊湊時鐘設(shè)計。

長期以來，核躍遷所需的能量通常極高，處于伽馬射線波段，超出了現(xiàn)有激光技術(shù)的控制范圍。而釷-229（229Th）是一個罕見的例外。早在幾十年前，科學(xué)家就預(yù)測，該同位素?fù)碛幸粋€極低能量的核躍遷，理論上可以由真空紫外（VUV）波段的激光驅(qū)動，可用于核鐘。但受限于實驗條件，無法精確定位該躍遷。

2024 年，這一長期難題終于被攻克，美國科羅拉多大學(xué) JILA 研究所的葉軍（Jun Ye）和加州理工學(xué)院的張傳坤（Chuankun Zhang）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，利用頻率梳技術(shù)——一種包含約 3,000 萬種頻率的激光——首次精確確定了釷-229 的躍遷頻率，正式吹響核時鐘研制的沖鋒號。

（來源：Ye Labs/JILA/NIST/University of Colorado）

連續(xù)波深紫外激光器的問世

此外，要將這一躍遷轉(zhuǎn)化為實用核時鐘，就要實現(xiàn)核時鐘的相干控制，關(guān)鍵在于研發(fā)出一種頻率極穩(wěn)、線寬極窄且功率足夠的連續(xù)波（CW）真空紫外激光器，其波長需接近 148nm。

在這一領(lǐng)域，清華大學(xué)丁世謙團隊對激光光源的突破是近期最引人注目的進(jìn)展之一。2026 年 2 月發(fā)表于《自然》（Nature）的研究中，他們利用鎘蒸汽中的四波混頻（FWM）非線性效應(yīng)，實現(xiàn)了 148.4nm 波長的連續(xù)波激光，輸出功率超過 100 納瓦。

更具應(yīng)用意義的是，該激光器的預(yù)計線寬遠(yuǎn)低于 100 Hz，比之前所有 190nm 以下單頻真空紫外激光器的線寬改善了五個數(shù)量級。研究團隊還開發(fā)了一種空間分辨的零差技術(shù)，對 FWM 誘導(dǎo)的相位噪聲進(jìn)行了嚴(yán)格上限約束，證實亞赫茲線寬在原理上是可行的。

（來源：DOI：10.1038/s41586-026-10107-4）

這一突破解決了核時鐘研制中最核心的技術(shù)壁壘，為核躍遷的相干操縱和高分辨率光譜研究提供了可能。盡管這一進(jìn)展備受贊譽，但部分研究者在峰會上指出，其長期穩(wěn)定性仍面臨挑戰(zhàn)，而且，該方案需將有毒鎘蒸氣加熱至 550 °C。

與此同時，葉軍團隊也在嘗試通過特定的晶體（如四硼酸鍶晶體）將光學(xué)激光的波長轉(zhuǎn)換至 148nm。初步測試顯示，該方法可提供近乎穩(wěn)定的 40 微瓦功率，具備商業(yè)應(yīng)用潛力。其團隊正與總部位于馬薩諸塞州馬爾伯勒的 IPG Photonics 公司合作，后者已為生長特種四硼酸鍶晶體的方法申請了專利。UCLA 物理學(xué)家埃里克·哈德森（Eric Hudson）表示，“這只是一個此前無人需要解決的技術(shù)難題，現(xiàn)在我們即將解決它。”

固體核時鐘的開發(fā)瓶頸和未來方向

在確定了激發(fā)光源后，如何穩(wěn)定地承載釷-229 原子核成為了另一項挑戰(zhàn)。目前主流的方案有兩種，一種是固體方案，即將數(shù)萬億個釷-229 離子嵌入固體晶體中；另一種是將少量離子捕獲在離子阱內(nèi)。其中，由于參與躍遷的原子核數(shù)量龐大，固體方案能產(chǎn)生極強的信號，且設(shè)備體積更小、易于部署。

然而，其穩(wěn)定性受限于躍遷線寬，精度目前仍遜色于光學(xué)原子鐘。維也納理工大學(xué)托爾斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）團隊與葉軍團隊利用嵌入釷-229 的氟化鈣（CaF?）晶體開展實驗，深入探討了這種“固體核時鐘”的頻率復(fù)現(xiàn)性。

結(jié)果顯示，目前實現(xiàn)的信號線寬約為 30 kHz，不足以滿足穩(wěn)定鐘的要求。研究者懷疑是晶體中雜質(zhì)所致。不過，通過探索其他晶體和更易制備、雜質(zhì)更少的薄晶膜，有望進(jìn)一步縮小線寬、提升性能。其中，曾用于相機鏡頭的放射性涂層四氟化釷或氧化釷都是備選材料。

對于追求極致精度的科學(xué)實驗，超低溫離子阱方案仍被視為終極目標(biāo)，這項技術(shù)需將釷-229 離子冷卻至微開爾文級并懸浮。葉軍指出：“若想實現(xiàn)真正高精度的核時鐘，就必須采用捕獲離子實驗?！笨上н@一方案目前尚未在實驗室中實現(xiàn)。

圖 | 葉軍（來源：Ye Labs）

當(dāng)然，核時鐘的意義遠(yuǎn)不止于提供更準(zhǔn)確的時間。由于其躍遷機制涉及原子核內(nèi)部的強相互作用力與弱相互作用力，它對物理常數(shù)隨時間的演變異常敏感。這意味著，核時鐘可以作為一種極度靈敏的探測器，用于尋找暗物質(zhì)或驗證基礎(chǔ)物理定律的穩(wěn)定性。此外，由于核時鐘的結(jié)構(gòu)相對簡單、堅固且抗干擾能力強，可脫離實驗室環(huán)境使用，在深空導(dǎo)航、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警以及商業(yè)量子通信等領(lǐng)域具有廣闊的落地前景。

物理學(xué)家埃里克樂觀地預(yù)測，2026 年將是核時鐘邁入實測階段的關(guān)鍵之年。中國、歐洲、日本和美國等地的十余個研究團隊正在緊鑼密鼓地組裝核時鐘所需組件，人類記錄時間的精度或?qū)⒃俅斡瓉砹考壍能S升。

參考來源：

1.https://www.nature.com/articles/d41586-026-00848-7

2.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09999-5

3.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10107-4

4.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6

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