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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(yù)，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(tuán)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(tuán)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?！?/p>

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(qiáng)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(tuán)隊與葉軍團(tuán)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(jī)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。”可惜這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(jī)制涉及原子核內(nèi)部的強(qiáng)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(qiáng)，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(tuán)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

運(yùn)營/排版：何晨龍