中国和欧洲的两个物理学家团队研制出了世界上首批核钟。这些革命性的新型设备利用原子核能级的波动来计时，而目前的原子钟正是利用电子能级的波动来定义一秒的长度的。近日，相关研究成果发表于预印本平台arXiv。

研究如何从原子核中“提取”“滴答”声并用它来计时，已经花费了科学家20多年的时间。由于原子核不易受到扰动，并且被包裹在晶体中受到保护，核钟比当今最先进的时钟更加坚固和便携。除了未来可能拥有更高精度外，核钟还为物理学家提供了一种前所未有的探究原子核内部相互作用力的方法。

以色列魏茨曼科学研究所的理论物理学家Gilad Perez表示，这些研究表明，核钟已从一个具有“潜力”的系统发展成为“一台可正常运行的精密仪器”，可用于探索新物理。

奥地利维也纳工业大学原子物理学家、欧洲团队主要成员Thorsten Schumm表示，研制出核钟是“梦想成真”。他说，不久前这一领域还是一个“平静的小众领域”，而现在，“我们面临着一场激烈但友好的全球竞争”。

所有时钟都需要一种像钟摆的摆动那样稳定的振荡来计时。在最先进的原子钟中，这种摆动是可见光波长的振荡，当电子在能级之间跃迁时，这种光会被吸收。物理学家会确定触发这种电子态跃迁所需激光的的特定频率，然后利用该频率来计时。

核钟则有所不同。它并非让电子在能级之间跃迁，而是通过将钍-229原子核内的质子和中子激发到更高的能级来计时。大多数元素需要巨大的能量才能重构其原子核，但钍很特殊，因为它的稳定能级间距非常小，紫外激光的轻微激发就能引发能级跃迁。

几十年来，物理学家一直相信钍具有这种特殊性质，但直到2024年，他们才终于在含有数万亿个钍-229原子的毫米级氟化钙晶体中，成功触发了核跃迁。同年晚些时候，另一个研究团队确定了这一现象发生的精确频率。

要使核钟正常运行，唯一缺失的环节就是一种方法——将激光的频率与这种天然计时器锁定，并防止时钟的“滴答”速度随时间推移而漂移。两个团队都是通过监测激光光被钍-229原子吸收的程度来实现这一目标的。Schumm表示，当激光频率处于正确范围内时，随着光子被吸收，信号强度会下降。如果频率发生漂移，“你会看到信号再次增强，并能立即进行校正”。

两个团队在具体方法上有所不同。清华大学物理学家丁世谦领导的中国团队使用的激光器功率远高于欧洲团队，但所用晶体的钍-229原子浓度较低，因此，两台核钟产生的信号总体相当。

两个团队的核钟运行稳定可靠，在一天内的误差仅相当于300万年中的约一秒。不过，这一稳定性仍低于目前最先进的光学原子钟，后者每400亿年才会快或慢一秒。

进一步开发这些核钟的计划目前正在加速推进。与原子钟相比，基于晶体的核钟对环境扰动的敏感度较低，且无需极端冷却即可运行。丁世谦认为，这“为开发紧凑且坚固的光学钟开辟了一条可能的途径”，可用于导航和通信设备。Schumm表示，基于晶体的核钟目前已在进行商业化开发。

其他研究人员正在致力于制造比最先进原子钟更精确的核钟。由于触发核跃迁的光频率高于原子钟的光频率，理论上核钟应该能够将时间分割得更精细。但这需要将钍-229原子分离出来，而不是将其嵌入晶体中。德国国家计量研究所物理学家、欧洲团队的联合负责人Ekkehard Peik说，这是一个“有待探索的重要途径”。

相关论文信息： https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.04997
https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.08870