科技日报记者 华凌
时间，是人类精密测量世界的一把核心标尺。小到手机定位，大到奔赴星辰的深空探测，这些工作能达到多高的精度，很大程度上取决于时间测得到底有多准。
长久以来，人类造高精度时钟，都盯着原子外层电子的跃迁。原子钟不断迭代，但电子暴露在原子外层，相对更容易被电磁场、温度扰动，精度提升较为困难。于是，科学家设想：能不能到原子核里面找一个更稳定的“节拍器”？钍-229核光钟，正是这个大胆设想的落地。
近日，清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦带领团队，联合多家国内科研单位自主攻关，在国际上率先研制出钍-229核光钟，并实现全链路技术自主可控，在新一代计时装备赛道实现领跑。科技日报记者日前专访科研核心团队，解读这项硬核成果的价值、攻关难点与广阔前景。
研制面临两大难题
“原子核的尺度远小于电子活动范围，且质量远大于电子，核跃迁对外界扰动的敏感度更低，天然具备超高精度计时的潜力，有望为突破现有原子钟的性能极限开辟新路径。”丁世谦介绍，尤其是固态核光钟，可将海量原子核集成在毫米级微型晶体中，有望兼顾超高稳定度、小型化与工程化，是下一代时间频率标准的重要探索方向。
除了精密计时，核光钟更具备极高基础物理研究价值。丁世谦介绍，钍-229核跃迁对宇宙基本常数变化具备超高灵敏度。通过长期对比核光钟与传统原子光钟的频率数据，科研人员有望捕捉基本常数的细微变化，探测暗物质存在的微弱信号，为人类探索宇宙底层物理规律、突破现有理论框架提供全新实验窗口。
超高价值背后，是世界级技术难题。丁世谦坦言，核光钟研制面临两大基础条件上的难关：一是光源瓶颈，二是核素资源与晶体制备困境。
从光源瓶颈看，绝大多数原子核跃迁能量极高，现有激光技术无法实现精准激发。钍-229最低的核激发态只比基态高约8.4电子伏特，是已知核跃迁中能量最低的，这种低能核跃迁为激光操控原子核提供了突破口。然而，钍-229对应的148纳米真空紫外波段，长期缺少窄线宽、高功率、可精密调控的连续波激光，成为全球核光钟研发的难题。
从核素资源看，钍-229属于稀缺战略核素，国内可用资源极度匮乏。更棘手的是，在实验开展之初，多高的掺杂浓度才能满足探测需求，并无明确答案。团队必须将仅有的全部核素集中到小体积晶体中，尽可能提高浓度，增强信号。然而，晶体越小，生长控制就越困难：在极微量核素的苛刻限制下，既要实现有效掺杂，又要保证制备的晶体中无气泡、无缺陷，满足真空紫外精密测量的要求。全部核素的集中投入，也意味着晶体只有一次生长机会，没有重来的余地，晶体制备难度达到极致。此外，微弱核信号快速读取、多频率体系闭环反馈控制、跨场景频率可重复性验证，都是核光钟从理论走向实用的关键技术障碍。
从零起步自研技术
面对无先例、无借鉴、资源受限的多重困境，清华大学科研团队联合国内多所高校、科研院所协同攻关，从零起步搭建完整自主技术体系，通过四大原创性核心突破，成功攻克所有技术难题，在国际上率先研制出钍-229核光钟，综合性能远超欧洲同期成果。
“我们首先攻克了连续波光源这一世界级的核心瓶颈。”丁世谦告诉记者。团队突破传统非线性晶体技术路线，原创性地提出镉蒸气四波混频方案，在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光，首次将超稳激光技术成功拓展至真空紫外全新波段。
经精密相位测量验证，团队惊喜地发现该光源产生方案没有引入额外相位噪声，完美保留了原始激光相干性，打通了精密光频控制与原子核跃迁的核心通道。团队持续迭代技术，将光源功率提升至10微瓦，相较欧洲同类光源形成压倒性优势，为微弱核信号精准读取、提升钟体稳定度奠定核心基础。连续波真空紫外激光与核光钟的相关成果先后发表于国际期刊《自然》。
在稀缺核素利用与晶体制备领域，团队同样实现了突破。核光钟文章第一作者、清华大学物理系2022级博士生黄北辰介绍，实验依托仅有的1.4微克钍-229核素开展研发，用量仅为欧洲团队的1/200。团队针对性研发微量核素小体积晶体生长技术，在只有一次生长机会的条件下，成功制备出毫米级、无明显缺陷、高光学纯度的掺钍-229氟化钙晶体，满足核光钟精密测量需求。
针对传统荧光探测速度慢的短板，团队创新探测技术路径，突破传统荧光光谱探测模式，转而采用高功率光源加持的吸收光谱探测方案。依托自主高功率真空紫外激光，研究团队直接捕捉极微量核素对入射激光的极微弱吸收信号，无须等待长寿命核激发态缓慢退激发，大幅提升信号读取速度。同时，通过光电管直接电流读出、低噪声放大、调制解调等技术，团队从复杂背景中精准提取极微弱核信号，搭配低温度敏感度、窄线宽的优质谱线，实现快速锁频，大幅提升核钟短期稳定度。
“还有一个原创突破，是我们自主设计并搭建了多频率联动闭环反馈控制系统。”核光钟文章共同第一作者、清华大学物理系2024级博士生严高伟进一步介绍，区别于单一激光锁频模式，团队针对真空紫外光源多频率耦合的特性，搭建了多频率联动的反馈控制系统，精准捕捉激光与核共振的频率偏差，实时修正光频链条，实现从“激光测量核跃迁”到“核跃迁校准激光”的关键跨越，真正让原子核成为时钟的频率基准。
经测试，我国自研核光钟的秒级稳定度，较欧洲同期成果提升近一个数量级。更关键的是，团队还完成了跨晶体、跨实验室频率可重复性验证。团队发现，不同工艺、不同掺杂浓度、不同缺陷状态的晶体中，对应核跃迁的频率高度一致。同时，团队也验证了与美国团队频率测量结果的一致性，标志着固态核光钟具备成为计量基准的核心潜力。
多领域开辟新赛道
业内人士认为，此次钍-229核光钟的成功研制，不仅是本世纪以来量子精密测量领域的重大突破，更构建了我国全链条自主可控的核光钟技术体系，涵盖光源研发、晶体制备、精密探测、反馈控制全环节。团队以一系列原创性突破开辟了核光钟研制的道路，在这一前沿领域占据世界领先位置，也为后续技术迭代、性能升级与应用拓展提供了完全自主的技术底座。
在基础科研领域，核光钟开辟了全新研究赛道。凭借独特的原子核跃迁测量维度，核光钟与传统原子光钟形成互补，为基本物理常数变化检验、暗物质探测、核量子态相干操控、原子核精密光谱研究提供全新实验平台，有望助力我国在基础物理前沿领域持续产出原创性、引领性科研成果。同时，团队自主研发的真空紫外激光、微量掺杂晶体制备、核信号探测等单项核心技术，可独立应用于原子光谱、量子传感、高端精密仪器研发等领域，带动多学科交叉创新发展。
在工程应用层面，固态核光钟具有小型化、高稳定、抗干扰的独特优势，具备广阔的落地前景。随着技术持续迭代升级，固态核光钟未来可应用于卫星导航、深空探测、通信网络等关键领域。
丁世谦表示，团队后续将持续优化光源功率、晶体质量与反馈控制，进一步提升核光钟的准确度、稳定度与连续运行能力，通过跨实验室、跨晶体对比实验，揭示并抑制环境引起的频率偏移，向新一代高性能时间频率基准迈进。同时，团队将依托完整自主技术体系，持续探索核量子技术产业化路径，以原创科技突破，抢占全球下一代时间频率技术制高点。
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