本报讯 中国和欧洲的两个团队分别研制出世界上首批核光钟。这些革命性的新型装置利用原子核能级的跃迁来计时，而目前的原子钟则是利用电子能级的跃迁来定义1秒钟的长度。近日，相关研究成果公布于预印本平台arXiv。

科学家用了20多年，研究如何从原子核中提取“滴答”声并用它来计时。由于原子核不易受到扰动，并且被包裹在晶体中，因此核光钟比当今最先进的时钟更坚固、更便携。除了未来可能拥有更高精度外，核光钟还为物理学家提供了一种前所未有的探测原子核内部作用力的方法。

以色列魏茨曼科学研究所的Gilad Perez说，这些研究表明，核光钟已从一个具有“潜力的系统”发展成为“一台可正常运行的精密仪器”，能够用于探索新的物理现象。

欧洲团队主要成员、奥地利维也纳工业大学的Thorsten Schumm表示，研制出核光钟的“梦想成真”了。不久前，这一领域还是一个“平静的小众领域”，而现在，“我们正面临一场激烈但友好的全球竞争”。

所有的时钟都需要一种像钟摆摆动那样的稳定振荡来计时。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，这些光会被吸收。物理学家会确定触发这种电子跃迁所需的激光的特定频率，然后利用该频率来计时。

核光钟则有所不同。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能级来计时。大多数元素需要巨大的能量才能重构原子核，但钍很特殊，因为它拥有稳定的能级，这些能级的间距非常小，只需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，他们才成功在含有数万亿个钍-229原子的毫米级氟化钙晶体中触发了核跃迁。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。

要使核光钟正常运行，唯一缺少的就是一种方法，能够将激光频率与这种天然计时器的频率锁定，并防止时钟的“滴答”速度随时间推移而漂移。两个团队通过监测激光被钍-229原子吸收的程度实现了这一目标。Schumm表示，当激光频率处于正确范围时，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，并可以立即进行校正”。

两个团队在具体方法上有所不同。清华大学副教授丁世谦领导的中国团队使用的激光器功率高于欧洲团队，但所用晶体的钍-229原子浓度较低。因此总体而言，两台核光钟产生的信号具有可比性。

两个团队的核光钟运行都很可靠，在一天内的漂移量仅相当于300万年内大约1秒。不过，这一稳定性仍低于目前最先进的原子钟，后者每400亿年才会出现1秒钟的误差。

进一步开发这些核光钟的计划目前正在加速推进。与原子钟相比，基于晶体的核光钟对环境扰动的敏感度较低，且无需在极端冷却的情况下运行。Schumm表示，基于晶体的核光钟目前已进入商业化开发阶段。

其他研究人员也正致力于制造比最先进原子钟更精确的核光钟。由于触发核跃迁的光频率高于原子钟的光频率，理论上核光钟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。欧洲团队联合负责人、德国国家计量研究所的Ekkehard Peik说，这是一条“有待探索的重要途径”。（文乐乐）

相关论文信息：

https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.04997

https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.08870