稳定性超欧洲六倍 中国钍-229核钟领跑下一代计时技术竞赛

顶尖学术期刊Nature在最新一期刊物中，同时刊登了来自中国与奥地利两支科研团队的重大突破。

清华大学与维也纳工业大学分别独立研制出了世界上首批能够正常运转的钍-229固态核光钟。经过多维度严密测试，中国团队研制的核钟在运行稳定性上达到了欧洲同类装置的大约6倍。

这项成果不仅标志着人类计时技术从原子外层电子跃迁正式跨入了原子核内部震颤的新纪元，也让下一代时间基准的全球竞逐进入了白热化阶段。长期以来，高精度时间测量一直支撑着导航定位、深空探测和基础科学探索，谁能在更微观的尺度上捕捉更纯净的节拍，谁就能掌握未来时间度量的话语权。

从晃荡的秋千到原子心脏的微颤

人类衡量时间的方式，本质上都是在寻找宇宙中最规律的振动。古代人依靠摆钟里秋千般规律晃动的钟摆，现代人依靠石英晶体通电后的规律颤抖。到了20世纪中叶，科学家发现原子外层的电子在不同轨道之间跳跃时释放或吸收的电磁波频率更加恒定，原子钟应运而生。目前世界公认的1秒，正是通过金属铯原子内部电子跃迁所对应的电磁波震荡次数来定义的。

原子钟虽然极为精确，足以做到几十亿年甚至上百亿年才产生1秒的误差，但它依然存在物理极限。电子分布在原子最外层，个头相对松散，极易受到周围环境中微弱杂散电场、磁场甚至温度涨落的扰动。为了让原子钟保持稳定，科学家往往需要将原子置于复杂的真空腔体中，动用庞大的激光冷却设备将其严密保护起来。

如果把原子比作一座巨大的体育场，电子就像是在看台上奔跑的观众，外界刮风下雨都会影响他们的节奏；而原子核则是悬浮在球场中央的一颗小弹珠，其体积仅占原子整体的几万亿分之一，内部被极强的强相互作用力牢牢束缚。由于尺寸极小、结合极紧，原子核天生对外界的电磁干扰具有强大的免疫力。科学家早在2003年就意识到，若能把计时的节拍器安放在原子核内部，做出一台核钟，计时系统的抗干扰能力将产生质的飞跃。

绝大多数原子核极其顽固，要让它们内部发生类似能级跃迁的振动，需要能量极高的射线，远超现有实验室激光器的驱动能力。元素周期表中唯一的例外是钍-229。这种稀有的放射性同位素拥有一种非常奇特的内部平衡，其核内核子之间的微妙较量，使得它只需一束能量较低的真空紫外波段激光轻轻推动，就能在两种不同构型之间往复振荡。维也纳的研究人员形象地将这一过程描述为：原子核原本像一颗橄榄球，受到特定频率激光激发后被挤压成梨形，随后再弹回原状。这种高频且极度稳定的来回形变，正是核钟最理想的心跳节拍。

用六百度金属蒸汽点亮深紫外激光

理论蓝图虽然诱人，真正做出一台能运转的核钟却耗费了全球物理学家20多年的心血。钍-229原子核跃迁对应的激光波长大约在148纳米，属于极难产生的真空紫外光。此前很长一段时间，科学界甚至无法精确测定这一跳跃的确切频率。犹如一位歌唱家想要震碎玻璃杯，却不知道玻璃杯的固有共振音调到底有多高，只能在漫长的黑暗中一点点摸索。直到2024年，科学家才首次用激光真正触发了钍-229的核跃迁。

确定了音调之后，制造出合格的乐器又成了摆在科研人员面前的巨大障碍。钍-229本身极其稀缺，通常只能从军工级铀的衰变副产物中微量提取。清华大学团队在实验中仅获得了大约1微克的钍-229。面对极其严苛的材料限制，中国团队另辟蹊径，将这一点点宝贵的物质均匀掺入氟化钙晶体中，制成了一颗体积比米粒还要小的微型晶体。虽然体积极小，这颗晶体内却密集容纳了大约1000万亿个钍-229原子核。

为了激发这颗晶体的心跳，清华大学团队搭建了一套极其精密的光学系统。他们将激光束打入加热到600摄氏度的镉金属蒸汽中。这个温度比烘烤比萨的燃木烤炉还要炽热。在高温金属蒸汽的非线性光学效应转换下，科研人员成功获得了明亮且高纯度的148纳米真空紫外激光束。

维也纳工业大学团队则采用了另一种技术路线。他们获得了含有更多钍原子的晶体，其原子核数量大约是中国团队样品的200倍，但在激发激光的功率与纯度控制上略逊一筹。当激光穿透晶体时，钍核迅速吸收光子并在橄榄球与梨形之间高速振荡，光频传感器精准记录下每一次跃迁的峰值。通过快速调整反馈回路抑制激光自身的微小漂移，两台前所未有的核钟同时在东西方实验室中成功走动起来。

后续的稳定性对比揭示了显著的差异。维也纳团队的核钟每天开机时，由于激光穿过晶体的具体部位不同，测出的时间节拍会出现细微偏差，这表明其晶体内部的缺陷与钍核分布的不均匀性在一定程度上拉低了稳定性。而清华大学团队凭借更优质的深紫外光源以及精密的激光锁频方案，实现了更高的频率稳定度，整体表现大约是维也纳核钟的6倍。换算成日常理解的指标，维也纳核钟大约运行几百万年才会产生1秒的误差，中国团队研制的核钟如果从6500万年前恐龙灭绝的时代一直走到今天，累计误差也只有大约2秒。

两颗米粒大晶体的完美合拍

清华大学团队在实验中取得的另一项关键进展，彻底打消了科学界对晶体核钟重现性的疑虑。在固态物理实验中，科学家最担心偶然性，如果时间的快慢取决于某一块特定晶体的微观瑕疵，那么这项技术就很难被推广为通用的国际度量标准。

中国科研人员专门合成了两块批次不同、独立生长的掺钍晶体。在完全相同的激光照射和探测环境下，两块晶体表现出了令人惊叹的一致性，它们记录的时间节拍偏差仅在10万亿分之3左右。这一测量结果还与此前美国天体物理联合实验室利用完全不同的设备与晶体测出的数据高度契合。

这项实验强有力地证明，测得的稳定频率反映了钍-229原子核本身的固有物理性质，绝非个别实验样品的偶发杂质所致。无论晶体在何处生长，只要工艺达标，钍核的律动就会保持高度统一。这种极高的可复制性，是从实验室原理样机走向工业化精密标准不可或缺的坚实一步。

对于钟表研制而言，可复制性还意味着未来可以批量制造性能高度一致的微型芯片钟。与当今最好的光学原子钟动辄占据大半个实验室房间、布满精密反射镜和超高真空管道的庞大身躯相比，基于透明晶体的固态核钟具有天生的结构紧凑性与抗震能力，这为下一代精密计时技术的真正实用化扫清了一大心理障碍。

寻找宇宙深处看不见的幽灵

建造核钟的目的远不止于制造一台更准的计时机器，物理学家更看重它作为一把探索未解宇宙奥秘的极端精密尺子。

在现代宇宙学模型中，宇宙中大约83%的物质属于看不见摸不着的暗物质。暗物质不发光，也不与普通电磁力发生作用，但在理论上，某些超轻暗物质粒子在穿过常规物质时，可能会引起基本物理常数的极其微弱的震荡。例如精细结构常数如果发生哪怕极其微小的漂移，处于原子核内的强相互作用力与电磁力平衡就会被打破。

钍-229正是这种探索的绝佳探针。由于其原子核跃迁能级极其微小，它实际上处在原子核强相互作用能与质子间静电排斥能几乎完全抵消的悬崖边缘。这种近乎极限的平衡状态，导致它对自然界基本常数的任何微小变动都具有超乎寻常的敏感度。一旦有暗物质粒子团块掠过地球并穿过晶体，钍核原本极其稳定的心跳节拍就会出现轻微的晃动。

维也纳团队在此次测试中已经尝试使用他们的核钟搜寻暗物质信号，尽管在当前的精度水平下尚未捕捉到异常，但这已经展现了核钟作为新型粒子探测器的独特潜力。科学家还可以通过将核钟与最高精度的传统原子钟进行并排比对，观察两种基于完全不同物理机制的钟表在长时间运行中是否存在极其微小的走时差异，以此直接检验物理学基石中的基本物理常数是否真的在宇宙演化中恒定不变。

固态核钟的出现，还将深远影响未来的高科技应用场景。目前的卫星导航系统完全依赖星载原子钟，如果未来能够将体积小巧、不怕外部剧烈晃动、抗电磁干扰极强的固态核钟送入轨道或装备在深空探测器上，导航定位系统的抗干扰能力、自主巡航精度以及深空测控水平都将迎来根本性的跨越。这种将实验室级别的极高精度打包进坚固晶体中的能力，是所有工业与国防工程领域梦寐以求的特性。

下一代计时技术的破晓时刻

虽然清华大学与维也纳团队的突破引发了全球物理学界的热烈赞誉，但科研人员对眼前的差距依然有着极为清醒的认识。现阶段运行的这两台核钟，在绝对精度指标上还落后于目前世界上最顶尖的光学原子钟。当前最好的光晶格原子钟运行1000亿年才会出现1秒误差，在稳定性上仍比刚诞生的核钟原型机高出大约10000倍。

然而正如加利福尼亚大学洛杉矶分校的物理学家所指出的，整个核钟领域正在以令人眼花缭乱的速度向前狂飙。顶级原子钟经历了70多年的精雕细琢才达到今天的极致，而核钟才刚刚走出第一步，就展现出了惊人的成长潜力。

两支团队目前面临的共同瓶颈依然集中在晶体生长和深紫外激光技术上。由于钍-229原料极度罕见，科研人员几乎没有试错的空间来摸索晶体加工的最优工艺。未来如果能够进一步改善晶体质量，减少晶格缺陷，让每一个钍核都处于完全一致的晶体电场环境中，同时研制出功率更高、波长更纯净的深紫外激光，核钟的跳动节拍还将变得更加锐利。两支团队在这一全新物理前沿的竞逐仍在继续，而中国科学家在稳定度上取得的阶段性领先，已经为这场改变时间度量史的科技长跑写下了极具分量的一笔。

来源|心智观察所

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