核光鐘光源：基于金屬蒸氣四波混頻的148 nm連續(xù)波真空紫外激光

|作 者：肖琦1 丁世謙1,2,?

(1 清華大學(xué)物理系）

(2 北京量子信息科學(xué)研究院)

本文選自《物理》2026年第5期

光鐘是目前最高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，在導(dǎo)航、精密計(jì)量與基礎(chǔ)物理規(guī)律檢驗(yàn)等方向具有重要價(jià)值?，F(xiàn)有光鐘主要以原子或離子的電子躍遷為參考。由于電子躍遷容易受到外界電磁場、黑體輻射等環(huán)境擾動的影響，相關(guān)實(shí)驗(yàn)通常需要超高真空、激光冷卻與囚禁等復(fù)雜裝置，這在一定程度上限制了光鐘在實(shí)驗(yàn)室外的推廣應(yīng)用。

近年來，釷-229核光鐘研究在實(shí)驗(yàn)上快速推進(jìn)。釷-229原子核具有能量約8.4 eV的低能同質(zhì)異能態(tài)躍遷，對應(yīng)約148 nm真空紫外光。與電子躍遷相比，核躍遷發(fā)生在原子核內(nèi)部，原子核尺度和相關(guān)電磁矩要小得多，與外界電磁場的耦合也要弱得多，因此對環(huán)境擾動更不敏感。若能將窄線寬激光穩(wěn)定鎖定到這一核躍遷上，核光鐘有望在保持極高精度的同時(shí)，獲得更強(qiáng)的抗環(huán)境擾動能力和更好的工程化潛力。

圖1 超穩(wěn)激光技術(shù)首次進(jìn)入真空紫外波段

01

核光鐘的148 nm光源瓶頸

釷-229同質(zhì)異能態(tài)躍遷是目前已知唯一處于現(xiàn)有激光技術(shù)可及范圍內(nèi)的核躍遷。2024年，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院和維也納工業(yè)大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)[1]、美國加州大學(xué)洛杉磯分校團(tuán)隊(duì)[2]分別利用納秒脈沖真空紫外激光實(shí)現(xiàn)了該躍遷的激光激發(fā)與光譜測量?？屏_拉多大學(xué)葉軍團(tuán)隊(duì)[3]利用真空紫外頻率梳首次實(shí)現(xiàn)了釷-229核躍遷的量子態(tài)分辨測量，并與鍶原子光鐘建立起頻率比對，將絕對頻率測量推進(jìn)至kHz量級，為原子核光鐘的實(shí)現(xiàn)奠定了重要基礎(chǔ)。

然而，觀測到核躍遷并不等于實(shí)現(xiàn)核光鐘。要把釷-229核躍遷轉(zhuǎn)化為可持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)上還必須獲得連續(xù)波、窄線寬、可調(diào)諧且相干性良好的148 nm真空紫外激光，并將其穩(wěn)定鎖定到核躍遷上。長期以來，缺乏滿足核躍遷相干操控需求的148 nm連續(xù)波窄線寬真空紫外光源，是制約釷-229核光鐘研制的核心瓶頸。為攻克這一問題，美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)于2025年發(fā)布SUNSPOT項(xiàng)目征集，面向釷核譜學(xué)所需的高相干真空紫外光源開展專項(xiàng)攻關(guān)。

02

金屬蒸氣四波混頻方案

圍繞釷-229核光鐘對148 nm連續(xù)波相干光源的需求，我們團(tuán)隊(duì)開展了連續(xù)波真空紫外光源研究[4—6]。團(tuán)隊(duì)繞開受材料在真空紫外波段的透過率和相位匹配條件限制的非線性晶體路線，提出以金屬鎘蒸氣為三階非線性介質(zhì)的四波混頻方案。在該方案中，375 nm激光提供的兩個(gè)光子與鎘原子的5s6s 1S0態(tài)形成雙光子共振，從而顯著增強(qiáng)金 屬鎘蒸氣的三階非線性響應(yīng)；另一束710 nm激光與375 nm激光合束并聚焦于鎘蒸氣中，通過四波混頻過程產(chǎn)生滿足ωVUV=2ω375+ω710 的148 nm真空紫外光。前期理論研究中，團(tuán)隊(duì)首先計(jì)算了鎘原子相關(guān)躍遷的矩陣元，獲得了評估其非線性光學(xué)響應(yīng)所需的關(guān)鍵原子參數(shù)[4]；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了利用鎘原子共振增強(qiáng)四波混頻產(chǎn)生148 nm連續(xù)波真空紫外光的方案[5]。

圖2 鎘原子共振增強(qiáng)四波混頻產(chǎn)生148 nm連續(xù)波真空紫外光的物理過程與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn) (a)鎘原子能級與四波混頻過程；(b)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(c)相機(jī)拍攝的真空紫外光斑和干涉條紋

在上述理論工作的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用鎘原子共振增強(qiáng)四波混頻過程，實(shí)現(xiàn)了148 nm連續(xù)波真空紫外輸出[6]。相比于脈沖激光，連續(xù)激光的峰值光強(qiáng)低得多，通常難以獲得高效率的非線性轉(zhuǎn)換。因此，實(shí)驗(yàn)上需要精細(xì)調(diào)控鎘蒸氣的溫度與原子數(shù)密度，并調(diào)節(jié)基頻光波長，以滿足四波混頻的相位匹配和共振增強(qiáng)條件。另一個(gè)困難來自真空紫外波段本身：148 nm光在空氣和普通光學(xué)材料中強(qiáng)烈吸收，且輸出功率相比與可見光又極低，因此從光束產(chǎn)生、空間分離、真空傳輸?shù)焦β蕼y量和相干性表征，都需要在低損耗、低背景的真空光路中完成。研究團(tuán)隊(duì)克服了這些困難，在SUNSPOT項(xiàng)目征集發(fā)布前即已取得關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)突破。光源在目標(biāo)波段的輸出功率超過100 nW，預(yù)計(jì)線寬遠(yuǎn)低于100 Hz，并且在140—175 nm區(qū)間具備連續(xù)可調(diào)諧能力。與此前已報(bào)道的190 nm以下單頻真空紫外光源相比，其線寬指標(biāo)提升約5個(gè)數(shù)量級。這些指標(biāo)表明，該光源已可滿足釷-229核光鐘研制與核躍遷量子相干操控的核心需求，為核光鐘補(bǔ)齊了關(guān)鍵光源短板。

相干性的保持是該方案能否用于核光鐘的核心問題。熱金屬蒸氣中存在GHz量級的多普勒展寬和碰撞展寬，直觀上可能引入額外相位噪聲并破壞輸出光場的相干性。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了適用于極低真空紫外光功率的相位探測方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四波混頻過程并未引入可觀測的額外相位噪聲，輸出真空紫外光場的相干性主要由基頻激光穩(wěn)定度決定。這表明，多普勒頻移會被精確抵消：基頻光在原子靜止系中的速度相關(guān)頻移，恰好被生成的真空紫外光場變換回實(shí)驗(yàn)室系時(shí)的頻率變換補(bǔ)償；另一方面，四波混頻主要依賴虛中間態(tài)，而虛中間態(tài)不需要建立長壽命的真實(shí)態(tài)相干，因而不容易受到碰撞退相干的破壞。該結(jié)果揭示了通過四波混頻將超穩(wěn)激光技術(shù)拓展至真空紫外波段的可行性，也為發(fā)展其他關(guān)鍵波長和更高性能指標(biāo)的相干真空紫外光源提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

03

從核光鐘到通用真空紫外相干光源平臺

對于釷-229核光鐘而言，該光源可直接服務(wù)于核躍遷的高分辨譜學(xué)測量、相干激發(fā)和后續(xù)鎖頻實(shí)驗(yàn)。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對核躍遷的穩(wěn)定鎖定后，核光鐘有望成為新一代時(shí)間頻率基準(zhǔn)，并用于基本常數(shù)變化檢驗(yàn)、引力紅移測量等精密物理實(shí)驗(yàn)。

這一光源平臺的意義也不限于核光鐘。連續(xù)波運(yùn)行、優(yōu)異相干性和寬范圍可調(diào)諧能力，使其可作為通用真空紫外相干光源平臺，支撐鋁離子原子光鐘等量子精密測量研究，并服務(wù)于量子信息相關(guān)實(shí)驗(yàn)、凝聚態(tài)角分辨光電子能譜和高分辨真空紫外譜學(xué)等方向。面向半導(dǎo)體關(guān)鍵材料與工藝中的真空紫外計(jì)量、芯片檢測和機(jī)理研究需求，該平臺也有望推動高端測試表征裝備與關(guān)鍵部件的自主可控，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)韌性。

總體而言，基于金屬蒸氣四波混頻的148 nm連續(xù)波窄線寬真空紫外激光，不僅為釷-229核光鐘提供了關(guān)鍵光源，也將超穩(wěn)激光技術(shù)的適用波段推進(jìn)至真空紫外區(qū)域，為量子精密測量和真空紫外光譜技術(shù)打開了新的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1] Tiedau J，Okhapkin M V，Zhang K et al. Phys. Rev. Lett.，2024，132：182501

[2] Elwell R，Schneider C，Jeet J et al. Phys. Rev. Lett.，2024，133：013201

[3] Zhang C K, Ooi T，Higgins J S et al. Nature，2024，633：63

[4] Penyazkov G，Yu Y，Skripnikov L V et al. Phys. Rev. A，2025，112：022807

[5] Xiao Q，Penyazkov G，Yu R et al. Phys. Rev. Appl.，2026，25：024034

[6] Xiao Q，Penyazkov G，Li X et al. Nature，2026，650：852

歡迎訂閱2026年《物理》雜志

《物理》是由中國科學(xué)院物理研究所和中國物理學(xué)會主辦的權(quán)威物理類中文科普期刊，注重學(xué)科性與科普性相結(jié)合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學(xué)科大家之力，追蹤物理學(xué)成果，服務(wù)物理學(xué)領(lǐng)域，促進(jìn)學(xué)科交叉，讓科學(xué)變得通俗易懂。已成為我國眾多物理專業(yè)的大學(xué)生、研究生、物理學(xué)家案頭常讀的刊物之一。

(期刊訂閱)

訂閱方式：編輯部直接訂閱優(yōu)惠價(jià)240元/年，全國包郵。

方式1微信訂閱

在“物理所財(cái)務(wù)處”微信公眾號繳費(fèi)，操作如下：公號下方“業(yè)務(wù)辦理”-“訂刊費(fèi)”-收費(fèi)部門“《物理》編輯部”，之后填寫相應(yīng)信息。如有問題，可添加編輯微信咨詢：18627635857。

(注：僅針對需要對公開電子發(fā)票的讀者，且務(wù)必提供正確的單位名稱和單位稅號)

方式2銀行匯款

開戶行：中國農(nóng)業(yè)銀行北京科院南路支行

戶 名：中國科學(xué)院物理研究所

帳 號：11250101040005699

（注：請注明“《物理》編輯部”，匯款成功后請及時(shí)聯(lián)系編輯部登記郵寄地址）

編輯部聯(lián)系方式：

咨詢電話：010-82649277；82649029

Email：physics@iphy.ac.cn

(贈閱活 動 ）

為答謝廣大讀者長期以來的關(guān)愛和支持，《物理》編輯部特推出優(yōu)惠訂閱活動：凡直接向編輯部連續(xù)訂閱2年《物理》雜志，將獲贈《歲月有情- <物理> 50周年紀(jì)念本》。內(nèi)有自1972年至2022年《物理》發(fā)表的50篇精選文章信息，掃描對應(yīng)的二維碼，可重溫經(jīng)典之作，感悟物理科學(xué)的真諦，領(lǐng)略學(xué)科大家的風(fēng)采。希望讀者們愛上《物理》!