我国科学家率先研制出核光钟：时间计量从“电子节拍”迈入“原子核节拍”

2026年10月7日，国际权威期刊《自然》在线发表了一项来自中国的重磅成果：清华大学物理系副教授丁世谦团队联合国内多个研究机构，在国际上率先研制出核光钟并实现稳定运行。这意味着人类对时间的测量，正式从原子外层电子的跃迁，深入到原子核内部的能级跃迁。

从“听电子节拍”到“听原子核节拍”

要理解核光钟的意义，得先看清它和当前主流计时装置的根本区别。

目前世界上最精确的原子光钟，原理是利用原子内部电子在特定能级间的跃迁作为频率基准，好比“听电子的节拍”来计时。但电子云尺度较大，容易受到电场、磁场、温度等外界电磁环境的扰动。要把原子光钟做到极高精度，需要极其精细地控制各种干扰，这导致性能最高的原子光钟至今仍主要运行在实验室中，小型化和工程化面临巨大挑战。

核光钟走的是一条截然不同的路。它利用激光精确驱动放射性同位素“钍-229”原子核内部的能级跃迁，以这一核跃迁的频率作为计时基准，相当于把“钟摆”放进了原子核内部。

丁世谦用了一个直观的比喻：“老式的钟摆每秒摆动一次，数摆动次数就知道过了多少时间。核光钟用原子核的节拍作‘钟摆’，这个节拍比挂钟快得多，每秒差不多2000万亿次，把时间切割得非常细。”

原子核的尺寸大约只有核外电子云尺寸的几万分之一。尺度越小，受外界电磁环境扰动的影响就越小，核跃迁的频率也就更加稳定。这为核光钟在原理上超越原子光钟的精度提供了物理基础。

攻克两大核心难题

核光钟的研制并非易事。长期以来，这项技术面临两个“卡脖子”环节：缺少合适的激光光源，以及钍-229核素极其稀缺。

为精确驱动钍-229的核跃迁，需要特定波长的连续波真空紫外激光。丁世谦带领团队历经4年多攻关，在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光，解决了核心光源难题。

第二个难题更加棘手。钍-229是地球上极其稀有的放射性同位素，获取极难。在多方协同攻关下，团队使用仅有的1.4微克钍-229，一次性成功生长出毫米尺度的高质量掺钍氟化钙晶体。这一用量仅为同期欧洲团队的约二百分之一。

依托自主研制的光源和晶体，团队进一步开发了快速读取核量子态的吸收谱技术，实现了钍-229核跃迁吸收光谱测量，并将激光频率稳定锁定至核跃迁，完成了从“测量核跃迁”到“用核跃迁计时”的关键跨越。

性能国际领先，年轻力量担纲

实验数据显示，清华团队研制的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队接近一个数量级（约6倍以上），性能国际领先。

值得注意的是，这项成果的背后有一支年轻的队伍。论文共同第一作者中，有多名00后博士研究生的身影。丁世谦评价道：“年轻的同学们分工合作、努力尝试，不断取得科研突破。”

清华大学物理系主任翟荟表示，核光钟有望成为新一代时间频率基准，其研制成功是本世纪以来量子精密测量领域的重要突破，“意味着人们对量子操控的能力深入到原子核尺度，为量子精密测量和量子操控开辟了新的研究方向。”

不只是“更准的钟”

核光钟的意义远不止于实验室里的精度数字。

固态核光钟具有潜在的小型化和工程化优势，未来有望为卫星导航、深空探测等场景中的高精度时间频率需求提供实用的技术选择。更精准的时间测量能力，直接关系到航天器定位、深空通信等国家重大需求的性能边界。

此外，钍-229核跃迁对基本常数变化等新物理效应具有显著增强的灵敏度，核光钟还可为检验基本物理规律提供新的精密探测平台。从导航定位到基础物理，核光钟打开的是一扇通向更广阔技术边界的门。

正如丁世谦所言：“从导航、通信到基础科学，人类文明的发展始终伴随着时间测量能力的提升。越精准的时间，往往能够定义越广阔的技术边界。”