湖北
清华大学物理系丁世谦团队近日利用自主研制的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，实现核光钟运行。该工作与欧洲团队同期完成，在国际上率先实现钍-229核光钟运行。相关成果于近日在线发表于国际期刊《自然》。
核光钟被视为继原子微波钟和原子光钟之后的新一代时间频率标准，是当前量子精密测量领域国际竞争的重要前沿。
此前，学界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。
丁世谦团队在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光，解决了精确驱动钍-229核跃迁的核心光源难题。同时，在钍-229极其稀缺的制约条件下，多方协同攻关，开展微量钍-229掺杂小体积晶体研制，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，单次生长所用核素仅约为同期欧洲团队的二百分之一。
有了连续波148纳米真空紫外激光和掺钍-229氟化钙晶体，团队进一步开展核跃迁精密光谱测量，获得高分辨率核跃迁吸收光谱，并实现快速吸收读出，从中选择兼具窄线宽和弱温度敏感性的核跃迁谱线作为核钟的频率参考。在每个核钟探测周期中，团队从核跃迁吸收信号中提取激光相对于核共振的频率偏差，并据此反馈修正激光频率，使激光频率持续稳定在钍-229核跃迁上。
由此，钍-229原子核不再只是被激光探测的对象，而是真正成为稳定激光频率的量子参考，实现了从测量核跃迁到用核跃迁计时的关键跨越。
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，我国团队实现的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲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。
核光钟的研制成功，被认为是本世纪以来量子精密测量领域最重要的突破之一。该成果有望为卫星导航、深空探测、国防安全等场景中的高精度时间频率需求提供新的技术选择，并可为检验基本物理规律提供新的精密探测平台。
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物理学家为何要把“钟”做进原子核？
时间计量，本质上就是找一个足够稳的“节拍”来计数。丁世谦说：“时间是人类测量得最精确的物理量，精度远高于其他物理量。物理学上想把一个量测准，通常都会想办法把它转换成对时间的测量。时间，处在一个特殊的地位上。”
目前最精确的原子光钟，数的是原子内部电子跃迁的节拍，已经准到运行千亿年误差不超过一秒。但要把原子光钟做到极高精度，需要精细控制电场、磁场、温度以及激光系统等带来的各种扰动，因此目前性能最高的原子光钟仍主要运行在实验室中，其小型化和工程化仍面临挑战。
核光钟换了一个频率参考。它数的不是电子跃迁，而是钍-229原子核内部的跃迁频率。丁世谦说：“核光钟跟原子光钟的区别，就是频率参考不再用电子跃迁频率，而是用原子核内的跃迁频率。原子核比原子小了四五个数量级，而且质量比电子重得多，这导致跃迁频率更稳定，对周围电磁环境不敏感。”
他进一步解释：“正因为不敏感，我们甚至可以把钍-229原子掺杂在固体里面，做成方便搬运的固体核光钟。这就意味着，我们终于有望能把极高精度的计时装置从实验室里拿出来。”由此，核光钟被视为继原子微波钟、原子光钟之后的新一代时间频率标准，也是当前量子精密测量领域国际竞争的前沿。同时，钍-229核跃迁对基本常数变化等新物理效应格外敏感，可为检验基本物理规律提供新的探测手段。
那么，为什么核光钟非钍-229不可？丁世谦说：“已知的20万个原子核激发态，跃迁能量几乎都在万电子伏以上，对应的激光波长在0.1纳米以下。这个波段，现有技术根本不知道怎么做激光器。钍-229是一个极其特殊的例外——它的跃迁能量只有8.4电子伏特，对应148纳米。这使得钍-229成为目前唯一已知的可以用激光操控的原子核跃迁，也是目前唯一有可能做核光钟的候选者。”这也正是核光钟被看作新一代时间标准的原因——它不仅有望更准，更意味着人类对量子世界的操控从电子尺度深入到了原子核尺度。核光钟打开的，不只是一条新的计时路径，更是一扇观察基本物理规律的新窗口。
光明日报全媒体记者 邓晖
（来源：光明日报）
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