新知| 新突破！把“时间”装进原子核，我国研制出核光钟

于梅君

主笔：于梅君

时间，藏在生活的每一个角落。手机精准定位、卫星穿梭天际、金融毫秒级交易，我们习以为常的现代生活，背后都依靠一套极致精准的“时间标尺”。清华大学物理系丁世谦副教授领衔，联合多家科研单位协同攻关，成功实现钍‑229核光钟稳定闭环运行。这意味着，人类首次把计时的核心依据，从原子外层的电子跳动，推进到微观原子核内部，开启下一代超高精度计时的全新赛道。这一突破性成果10月7日晚在线发表于国际权威期刊《自然》。

时间已经够准，为何还要追求更准？

在不少人看来，如今的时间已足够精准，完全能满足日常生活，科研团队为何还要不断攻坚、打磨更精密的时钟？

目前全球通用的原子钟，是北斗导航、深空探测、精密通信的核心基石。它依靠原子外层电子的规律跳动计时，节奏稳定、误差极低，最先进的原子光钟，能做到数百亿年只差一秒，足以支撑日常出行、物流测绘、普通科研等绝大多数场景。

但普通生活够用，不代表前沿科技够用。航天测控、深空探测、基础物理研究，对时间精度的要求，达到了普通人难以想象的严苛程度。

打个比方：原子钟，就像是听电子的节拍。原子外层的电子暴露在外，很容易受到磁场、温度、轻微震动的干扰，节奏偶尔会出现一丝紊乱。

这一点点微不足道的偏差，放在地面上可以忽略不计，但放到星际航行、卫星定位的宏大场景中，误差就会被无限放大，成为制约人类探索宇宙极限的短板。

也正因如此，科学家一直寻找更稳定、更纯粹的计时方式，核光钟的问世，彻底改写了人类的计时逻辑。

核光钟：把“钟摆”放进原子核内部

原子钟靠电子计时，而核光钟，则是把“钟摆”放进原子核内部，听原子核内部的节拍来计时。

原子核是原子的核心，深藏在电子层的包裹之中。由于原子核尺度远小于原子尺度，受外界电磁环境扰动影响更小，温度变化、磁场波动、轻微震动，几乎都影响不到原子核的跳动节奏。

清华大学翟荟教授表示，核光钟的研制成功，意味着人们对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了新的研究方向，有望成为新一代时间频率基准，是本世纪以来量子精密测量领域的重要突破。

回看三代计时工具，差距一目了然：普通石英钟、机械钟，依靠机械震动计时，日常误差肉眼可见；高端原子钟，依靠电子跃迁计时，百亿年级别几乎无误差；而全新核光钟，依靠原子核跃迁计时，抗外界干扰能力更强，有望提供比传统原子钟更高精度的时间频率基准，是全球公认的下一代时间频率基准。

攻克两大卡脖子难题：一束专属光，一粒珍稀材料

看似原理简单的核光钟，落地研发难度极高，这项研究历经4年多艰难攻关，两道核心难题，曾长期困扰全球科学界数十年。

第一道难题，是造不出唯一的“激活光源”。想要让钍‑229原子核稳定跳动、精准计时，必须依靠一束专属的特殊激光——148纳米真空紫外激光。

这种光线肉眼不可见、制备难度极大。此前全球只能造出断断续续的脉冲光，没法持续驱动钍‑229原子核能级跃迁，核光钟只能停留在理论层面，无法真正运转。

我国科研团队另辟蹊径，创新采用镉原子共振增强四波混频技术，通俗来说就是“光线调色技术”：将两种不同波段的光线，送入550摄氏度的高温镉蒸气中，精准调出148纳米连续波真空紫外光，解决了精确驱动钍‑229原子核内部能级跃迁的核心光源难题。

第二道难题，是核心晶体材料制备难度大。团队与合作团队共同研制出微量钍‑229掺杂氟化钙晶体，为核光钟研制奠定了核心材料基础。我国团队创新优化制备工艺，仅用1.4微克的钍‑229材料，用量远少于欧洲实验方案，就成功将微量核素嵌入透明氟化钙晶体之中，打造出核光钟稳定工作的“心脏”。

更少的耗材，换来更强的性能。最终，团队成功将激光频率稳定锁定至核跃迁，实现核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队接近一个数量级，性能国际领先，跻身全球第一梯队。目前我国已经建立起从核心光源、核光钟晶体、核跃迁光谱到闭环运行的完整技术体系。

不止是更准的钟，更是探索宇宙的超级工具

很多读者会疑惑：精度如此之高的核光钟，究竟能给我们的生活带来哪些改变？

目前核光钟仍处在实验室优化阶段，暂时还不会走进普通人的日常生活。固态核光钟具备潜在小型化、工程化优势，未来可服务卫星导航、深空探测，为高精度时间频率需求提供技术选择。

在航天导航领域，核光钟实现小型化后可搭载卫星，进一步提升北斗定位、测绘导航精度，支撑极地探测、航空飞行与精密工程。在深空探测领域，依靠极致计时能力，能够降低星际测距测速的探测偏差，助力人类探索更远宇宙。

除此之外，由于钍‑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，核光钟还可为检验基本物理规律提供新的精密探测平台，探测能力远超传统原子钟。

因此，核光钟早已不再只是一台计时仪器，更成为人类捕捉宇宙奥秘、探寻未知物理规律的“超级探测器”，为基础科学研究开辟全新道路。目前，国内科研人员仍在持续优化核光钟系统、修正各项误差、攻坚小型化技术，推动这项前沿科技从实验室逐步走向实用化。

时间无声，刻度有痕。方寸之间的精准计时，丈量的不只是分分秒秒，更是人类奔赴浩瀚宇宙、不断探寻真理的漫漫长路。

知多一点

古人如何丈量光阴

如今我们依靠原子钟、核光钟，实现极高精度计时。回望千年，东西方古人同样想尽办法，依靠身边自然现象捕捉光阴流转。

在中国，先民最早利用圭表观测日影长短，区分昼夜、划分四季。之后诞生日晷，依靠日光投影读取时辰。可日晷离不开阳光，到了夜晚或是阴雨天就无法使用，此时铜壶滴漏（漏刻）便补上这个短板，依靠稳定水流滴落来持续计量时间，昼夜均可运转。

宋代苏颂主持建造的水运仪象台，更是古代计时工程的巅峰之作，整套装置以水力驱动，既能模拟天体运行，还能自动敲钟报时，堪称一座巨型天文钟。民间还有燃香计时的办法，“一炷香”也慢慢成为老百姓口中常用的时间概念，古时城市还会通过晨钟暮鼓，向全城居民统一播报时间。

放眼海外，古埃及、古巴比伦很早就使用日晷与水钟计时。古希腊著名的风塔，同时集成日晷、水钟多种计时装置；到了中世纪，欧洲教堂出现重锤带动的机械钟，依靠齿轮转动敲钟报时，不过早期机械钟精度很差，一天误差就能达到十几分钟。直到摆钟诞生，西方计时水平才迎来一次重要提升。

纵观计时发展史，古人无论是观测日影、滴水计时，还是打造水力大钟，都是借助宏观世界的自然规律测算时间。而今天的我们，已经将计时标尺一路深入到电子、原子核层面。从仰望日光辨时辰，到捕捉原子核细微律动，这条丈量时间的道路，正是人类不断追求精准的漫长征途。

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