向更精準計時邁進 中國科學家成功研製核光鐘

10月5日在清華大學實驗室拍攝的核光鐘實驗裝置核心區域。新華社發

中國科學家利用自主研製的148納米連續波真空紫外激光以及摻釷-229氟化鈣晶體，在國際上率先研製出核光鐘並實現其穩定運行，將量子精密測量由電子躍遷拓展至原子核躍遷。

　　這一突破性成果7日晚在線發表於國際權威期刊《自然》。

　　核光鐘是利用激光精確驅動一種特殊放射性同位素“釷-229”實現其原子核內部的能級躍遷，並以這一核躍遷的頻率作為基準的計時裝置。

　　清華大學物理系主任、楊振寧高等研究院教授翟薈表示，核光鐘有望成為新一代時間頻率基準，其研製成功是本世紀以來量子精密測量領域的重要突破。

　　“核光鐘的研製成功及穩定運行意味着人們對量子操控的能力深入到原子核尺度，為量子精密測量和量子操控開闢了新的研究方向。”他説。

　　清華大學物理系副教授、北京量子信息科學研究院兼聘研究員丁世謙介紹，原子鐘是利用原子內部的電子在特定能級間的躍遷作為頻率基準，好像“聽電子的節拍”，而核光鐘則是把“鐘擺”放進原子核內部，利用原子核不同能級間的躍遷來計量時間，相當於“聽原子核內部的節拍”來計時。

　　科學家認為，由於原子核尺度遠小於原子尺度，受外界電磁環境擾動影響更小，因而核光鐘有望提供比傳統原子鐘更高精度、更實用的時間頻率基準。

9月28日，清華大學研究團隊在實驗室工作。新華社發

為此，丁世謙帶領團隊，歷經4年多艱難攻關，最終在國際上首次研製出148納米連續波真空紫外激光，解決了精確驅動釷-229原子核內部能級躍遷的核心光源難題，同時與合作團隊共同研製出微量釷-229摻雜氟化鈣晶體，為核光鐘研製奠定了核心技術基礎。

　　在此基礎上，團隊又將激光頻率穩定鎖定至核躍遷，實現了核光鐘秒級穩定度優於同期歐洲團隊接近一個數量級，性能國際領先。

　　“目前，我們已建立從核心光源、核光鐘晶體、核躍遷光譜到閉環運行的完整技術體系。”丁世謙説。

　　科研人員認為，核光鐘是當前量子精密測量領域國際競爭的重要前沿，固態核光鐘具有潛在的小型化和工程化優勢，未來有望為衛星導航、深空探測等場景中的高精度時間頻率需求提供實用的技術選擇。

　　此外，由於釷-229核躍遷對基本常數變化等新物理效應具有顯著增強的靈敏度，核光鐘還可為檢驗基本物理規律提供新的精密探測平台。（記者魏夢佳）