中歐科學家同期獨立造出世界首批核時鐘，人類重新定義時間

在精密計時領域，目前最先進的光學原子鐘以原子外殼的電子能級為基準，經過七十年的發展，其最優系統在四百億年內誤差僅一秒。

1976 年，兩位物理學家首次在釷-229 原子的衰變譜中發現了一個反常的低能級。這個起初被懷疑是測量誤差的數據，卻將學界對鐘擺的終極想象引至原子核內部，如果核時鐘設想成真，人類對時間的度量將達到前所未有的精度：理論上每三千億年才會積累一秒誤差。

經過二十余年的理論籌劃與艱難實驗，2026 年 6 月初，世界首批核時鐘在歐洲與中國兩支獨立團隊的實驗室中幾乎同時誕生。無數物理學家翹首以盼的“夢之鐘”，終于開始飛速轉動。

一步之遙：讓激光觸及核躍遷

光學原子鐘以電子在能級間躍遷的頻率作為基準。電子位于原子外層，對外部電磁場的變化較為敏感，這限制了時鐘在實驗室外的精度。而核時鐘把頻率參考從電子殼層移到原子核。后者體積僅為原子的萬分之一，在電子云的包裹中，幾乎不受外界擾動的影響，因此更具便攜性和長期穩定性。

絕大多數核躍遷所需能量在千電子伏特（keV）至兆電子伏特（MeV）級別，是可見光能量的數百萬倍，需要高能伽馬射線才能激發，遠超當前激光技術的能力邊界。但釷-229 是已知的唯一例外，它的低能同核異能態位于約 8.4 電子伏特（eV）處，對應約 148 nm 的真空紫外（VUV）波段。

釷-229 的異常低能級源于一種名為“近抵消”的巧合現象：其基態和異能態各自的束縛能都在 MeV 量級，分為庫侖能和核力兩部分，在兩種態之間，這兩部分幾乎完全抵消，從而使躍遷能量塌縮至 eV 量級。這種特性既使激光驅動成為可能，也讓該躍遷對基本物理常數的微小變化異常敏感。

理論可行性已被證實，要造出可用的裝置，讓激光抵達原子核是必要條件。最近兩年，全球研究者針對難點逐個突破，相繼取得了一些進展。2024 年，德國聯邦物理技術研究院（PTB）與維也納工業大學（TU Wien）的托爾斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）團隊合作，首次在固態晶體中成功激發釷-229 核。

當年年底，美國 JILA 研究所的葉軍團隊首次通過光梳精確測定躍遷頻率；2025 年，波長 148 nm 的連續波激光器問世，優化方案也陸續出現；2026 年初，高濃度摻雜晶體的吸收信噪比也達到要求。

直到近日，兩支科研團隊首次將激光主動鎖定至核共振，補齊了制造核時鐘所需的最后一塊拼圖。

歐洲方案：與離子鐘對話

6 月 3 日，舒姆團隊在預印本平臺 arXiv 發文，他們將釷-229 原子核嵌入大小僅有數毫米的氟化鈣（CaF?）晶體，在約 21.6 °C 的室溫下運行。VUV 激光由四硼酸鍶（SBO）晶體倍頻生成，到達光電倍增管（PMT）時功率只有約 65 皮瓦（pW，10-12 瓦），相當于普通 LED 燈泡功率的數十億分之一。這是一束極弱的光，但足夠以吸收光譜的方式探明核躍遷的位置。

（來源：arXiv）

鎖定精度的關鍵是反饋速度。研究團隊在中心頻率兩側調制激光，把核共振兩點的吸收差作為誤差信號，以秒為單位持續修正激光頻率。實驗顯示，這臺核時鐘的穩定性指標達到 3×10-12/√τ（其中τ 為測量時長）；連續運行一天后，精度相當于每三百萬年誤差一秒。

研究中，團隊還帶著核時鐘走出實驗室，開始解決實際問題。他們將核時鐘激光的次諧波通過頻率梳，與一臺位于奧地利聯邦計量監督局（BEV）的鐿離子單離子鐘（Yb?）持續比對，建立了核時鐘與既有光學原子鐘之間的頻率鏈路。

在 2026 年 4 月初連續約 23 小時的運行中，研究者用核時鐘數據校驗了多種以超輕標量玻色子為載體的暗物質模型。在與光子的耦合上，核時鐘的表現已與最佳原子鐘持平；在涉及強相互作用力（把夸克束縛在質子和中子內部的基本力）和夸克質量的計算中，核時鐘可將此前結論的精度進一步收斂兩到三個量級。

團隊指出，得益于釷-229 原子核能級躍遷的超高敏感度，即便儀器本身精度尚不及最佳光學原子鐘，但依然可在基礎物理測試中取得較好表現。

中國方案：雙晶體互證

6 月 7 日，清華大學丁世謙領銜，聯合多家單位在 arXiv 發文，宣布其自研核時鐘問世。

（來源：arXiv）

其中，清華大學和北京量子信息科學研究院聯合搭建的激光光源是這項研究最具獨特性的部分。研究團隊基于此前發表于《自然》（Nature）的工作，進一步升級了鎘蒸氣中的共振增強四波混頻（FWM）方案，將 148.4 nm 連續波激光的輸出功率從此前的百納瓦（nW）推高至十微瓦（μW）級別，到達晶體表面的 VUV 功率約 5 μW，比歐洲團隊高出約四個數量級。

研究團隊還準備了兩塊獨立生長的釷摻雜氟化鈣晶體，用于交叉比對。其中一塊由上海光機所采用布里奇曼-斯托克巴格法生長（下稱晶體甲），另一塊由清華大學與上海硅酸鹽所聯合采用溫度梯度法生長（下稱晶體乙）。

其中，晶體乙僅使用 1.4 微克的釷-229 原料，最終摻雜濃度是晶體甲的約三倍，真空紫外光透過率也提升到約 7%。釷-229 是一種全球稀缺的同位素，產量極為有限。該發現表明，極小用量也能做出滿足核時鐘要求的晶體，這對后續規模化生產有重要的參考意義。

搭建時鐘時，中國團隊采取了逐步迭代路線。第一步用晶體甲配合光電倍增管讀數，穩定性約為 7×10-12/√τ。第二步換用光電管（phototube），借助更高的光通量和線性響應突破探測瓶頸。第三步換上更優的晶體乙，穩定性指標達到 2×10-12/√τ。在長時間運行下，這個數字會沿著“測得越久越穩”的規律持續下降，最終達到 10-14 量級，實現了良好的長期閉環穩定性。

通過對比這兩塊出自不同實驗室、生長方法不同、摻雜濃度迥異的晶體，研究團隊還發現，其讀數偏差極小。這系統地證實，固態釷核時鐘的頻率參考可在不同晶體上達到 10-13 量級，保障了其在規模實用階段的可推廣性。

兩項工作在核心思路上幾乎一致，都使用 CaF?晶體作為宿主，148 nm VUV 激光作為探針。真正的差異在工程取向層面。歐洲團隊激光功率較低，但已構建好與既有光學原子鐘的比對標準，并率先利用核時鐘開展暗物質搜索；中國方案的激光功率更高，具備更大的信噪比上行空間。

具體精度方面，兩者量級相同，中國團隊略優于歐洲團隊。在測試方式上，雙方分別驗證了核時鐘從科學驗證走向計量標準所需的兩個關鍵維度：歐洲團隊測試了連續一天運行的表現，證實長期閉環的成熟度；中國團隊跨晶體完成復現，系統驗證了核時鐘頻率參考的可復現性。

離造出世界上最準的鐘，還有多久？

以色列理論物理學家吉拉德·佩雷斯（Gilad Perez）評論這兩項工作時表示，核時鐘已經從一個“有潛力”的系統，發展成為一個“功能完善的精密儀器”。但第一代核時鐘的精度仍有提升空間。

對此，兩支團隊都已點明改進路徑，直接方式是提升 VUV 的激光功率。歐洲團隊估算，借助四硼酸鍶（SBO）增強腔與商用紫外激光，可將功率推至 100 nW 以上；中國團隊的鎘蒸氣方案已經驗證 10 μW 可行。

更根本改進方向在于材料。含釷晶體或無核自旋的宿主晶體，有望進一步提高計時精度。歐洲團隊估算，改進材料后，固態架構核時鐘的最優穩定性指標可達 10-16/√τ，接近當前最佳光學原子鐘的精度。

為避開所有與固態環境相關的限制因素，終極方案是低溫離子阱中捕獲少數釷-229，以此造出離子核時鐘。但受限于技術發展，這條路徑早在 2012 年提出，至今仍未在實驗室實現。

未來，核時鐘可憑借對物理常數的高靈敏度，成為基礎物理探測器的組成部分，幫助物理學家解決超輕暗物質、基本常數漂移、等效原理偏離等現有原子鐘難以衡量的問題。

如果把目光放得更長遠些，穩定性一旦達標，基于固態方案、無需真空與超低溫支持系統的便攜式核時鐘，可作為大地測量與監測重力勢變化的高靈敏度傳感器，應用于資源勘探、火山與構造活動監測；在衛星與深空導航等極易受電磁場干擾的場景中，核時鐘的抗擾動能力也將使其發揮不可替代的作用。

從第一束人造激光抵達原子核內部的那一刻起，對時間的度量將不再獨屬于電子。造出核時鐘將開辟一片全新的研究領域，舒姆預言，“我們面臨著激烈但友好的全球競爭。”

參考內容：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01909-7

https://arxiv.org/pdf/2606.04997

https://arxiv.org/pdf/2606.08870

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成