近日，清华大学物理系副教授丁世谦团队利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光，以及与合作团队共同研制的掺钍-229氟化钙晶体，实现钍-229核跃迁吸收光谱测量并将激光频率稳定锁定至核跃迁，在国际上率先实现钍-229核光钟运行。相关成果以“锁定至钍-229的核钟”（A nuclear clock synchronized to 229Th）为题，于10月7日在国际学术期刊《自然》（Nature）在线发表。
时间是现代科技世界的基础坐标。导航能够锁定精准位置、金融交易实现毫秒级时间同步、通信网络依靠精密时间基准保障数据有序传输，现实生活中的诸多场景都离不开精准的计时。为了捕捉更精确的时间，人类一直在迭代计时工具，从机械钟、石英钟到微波原子钟、光学原子钟，每一次精度的跃升都拓展了人类探索世界的边界。
图1.丁世谦（中）团队合影
如今，科学家追寻数十年的钍-229核光钟终于从科学设想走向实验实现。它不仅为发展新一代高性能时间频率基准提供了新的路径，也为探测基本常数变化、寻找暗物质等前沿物理研究打开了全新的实验窗口，这还意味着人类利用激光进行精密测量和量子操控的能力正在由电子跃迁迈向原子核跃迁。
计时基准将来到“核”心时代
二十多年前，德国科学家提出利用钍-229原子核能级跃迁构建核光钟的科学设想。此后核光钟成为量子精密测量领域国际竞争的前沿高地，欧美日多国纷纷布局。但始终受制于光源、核钟晶体、跃迁探测等技术壁垒，未能实现真正的核跃迁频率闭环锁定。在这场激烈的竞争中，丁世谦团队在国际上首次成功研制148纳米连续波激光并基于此率先实现核光钟运行，走出一条完全独立自主的技术实现路径，构建从核心光源、核钟晶体、核跃迁光谱到闭环运行的完整技术体系，具有标志性意义。
图2.原子光钟与核光钟原理概览
相较于当前主流的原子光钟，核光钟在底层物理机制上具备先天优势。原子光钟以原子外层电子的能级跃迁作为计时基准，电子处于原子外层，容易受到外界电磁场、温度变化等因素干扰，至今难以脱离实验室环境，极大地限制了其实际应用。核光钟则利用钍-229原子核内部跃迁作为频率参考，由于原子核尺度远小于原子尺度，核跃迁受外界电磁环境扰动的影响更小，因而原理上有望提供比原子光钟更高精度的时间频率基准。同时，固态核光钟具有潜在的小型化和工程化优势，有望为相关核心应用场景中的高精度时间频率需求提供实用的技术选择。
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，核光钟可为检验基本物理规律提供新的精密探测平台。核光钟的实现还意味着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新的研究方向。
从0到1，他们打通两大关卡
2021年12月，丁世谦入职清华大学，开启钍-229核光钟相关研究。彼时全球范围内尚无成熟可借鉴的技术路线。在他看来，人类早已能用激光熟练操控原子的核外电子，却始终难以触及原子核层面。而钍-229独特的低能核跃迁正是难得的突破口。“不能因为所有人都说这件事很难就先默认自己做不成。不要先给自己设限。”丁世谦说。
此前，国际同行利用脉冲激光实现钍-229核跃迁的直接激发和测量，其跃迁能量约为8.4电子伏特，对应148纳米的真空紫外波长。但缺乏这个波长的连续波激光是制约核光钟研制的核心瓶颈。
图3. 1、镉原子共振增强四波混频过程；2、实验示意图；3、相机拍摄到的真空紫外光斑和干涉条纹
历经三年攻坚，2025年初，丁世谦团队创新性地使用四波混频技术选定镉蒸气作为非线性介质，成功研制出148纳米连续波窄线宽真空紫外激光，目标波段输出功率超过10微瓦，且在140至175纳米区间具备连续可调谐能力，与之前的单频真空紫外光源相比线宽降低了超千万倍。同时，团队在实验上发现四波混频这一频率转换方法，在获得所需的短波长激光的过程中不引入可观测的相位噪声，这为核光钟研制奠定了核心技术基础。
图4. 将148nm激光频率锁定到钍-229核跃迁上，实现核钟闭环
攻克光源难题后，另一重关键关卡接踵而至。钍-229原子核是研制核光钟的绝佳核心材料，但该核素存量极其稀缺，核钟晶体生长也并非团队的固有研究领域，面对多重技术与资源困境，单打独斗难以实现突破。为此，丁世谦团队联合苏良碧团队（中国科学院上海硅酸盐研究所）、杭寅团队（中国科学院上海光学精密机械研究所）和严超团队（中国科学院上海应用物理研究所）等多个团队开展协同攻关，创新采用微量掺杂技术研制小体积晶体，克服了小体积晶体生长过程中容易产生缺陷的难题。仅投入1.4微克的钍-229核素就成功生长出毫米尺寸高质量掺钍-229氟化钙晶体，单次实验所需的核素用量仅为同期研究团队的二百分之一。
依托该晶体并凭借此前开发的148纳米连续波激光的性能优势，我国团队最终实现的核光钟秒级稳定度，优于同期研究团队接近一个数量级，以极少的战略核素资源，实现了国际领先的核光钟性能。
这项里程碑式的突破离不开多方协同攻关。北京大学张熙博团队和中国计量科学研究院林弋戈团队在超稳激光、频率计量及精密测量等关键环节提供了重要技术支持。清华大学物理系莫宇翔教授和尤力教授在四波混频、光频梳等相关技术和实验方案上的长期经验积累发挥了重要作用。清华大学核能与新能源技术研究院刘学刚团队在掺钍晶体的制备与表征以及钍-229相关实验条件方面给予了重要支持。项目从启动到攻关的关键阶段始终得到清华大学和北京量子信息科学研究院的全方位支持。
“00后”上场，核光钟下一步怎么走
丁世谦团队的核心成员大多数都是“00后”。“青年人才思维活跃、勇于突破，是推动原始创新的核心力量。”丁世谦称赞这群年轻人“初生牛犊不怕虎”，并表示愿意带着他们站到最前沿的科学问题前。
“核光钟的成功研制离不开团队的合作与团结。”物理系2022级博士生黄北辰说。核光钟没有成熟的技术方案，很多实验系统需要从零构建，很多问题也没有现成答案，但团队始终坚定方向不断调试设备、排查变量，一点点寻找突破口。就在这样反复的尝试中，团队成功捕捉到首个荧光信号。“那一刻对我们所有人而言都很难忘。宏大的科研目标往往由许多零散的小模块拼接而成，当这些基础的研究目标被逐步完成最终的结果自然水到渠成。”物理系2024级博士生严高伟说。北京量子信息科学研究院博士后卜文浩回想那段科研经历颇有感触：“亲历核钟这样的前沿科学研究，我深刻体会到重大科研成果源于无数次尝试与迭代。”
图5.丁世谦给团队成员示范实操
在这支青年队伍的持续攻坚下，核光钟研究迎来里程碑式突破。在物理系2025级博士生肖琦看来，丁世谦不仅是团队负责人，也是年轻科研人员成长道路上的引路人，“让我们在解决真实难题的过程中逐步成长”。
属于丁世谦团队的探索仍在继续。接下来他们将持续提升核光钟的精度，进一步优化核光钟设备，向着小型化、可实用化迈进，并同步推进离子阱核光钟路线实现离子核量子态操控。
丁世谦心中还有更长远的科研图景，“像操控电子一样操控原子核。”他畅想，一旦实现核跃迁的全套量子操控，过去在电子跃迁上开展的各类物理实验都能在原子核体系重新探索，挖掘全新的物理现象，“或许下一次基础物理的重大发现就藏在这台‘核光钟’的滴答声里。”
该论文的通讯作者为清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员苏良碧，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员杭寅和北京量子信息科学研究院博士后卜文浩；共同第一作者为清华大学物理系2022级博士生黄北辰、2024级博士生严高伟、2025级博士生肖琦、北京量子信息科学研究院博士后卜文浩、中国科学院上海光学精密机械研究所正高级工程师赵呈春、中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员张振、中国科学院上海应用物理研究所正高级工程师严超。本研究得到了清华大学笃实计划、北京量子信息科学研究院的支持，并获得国家和地方相关科研项目的共同资助。
