突破国际瓶颈！我国清华师生成功攻克核光钟难题！

来源：滚动播报

（来源：科普中国）

2026 年 10 月 7 日，清华大学等机构的研究团队在国际学术期刊《自然》（Nature）发表成果，研制出能用原子核的响应自动校准激光频率的“核光钟”。

同一天，维也纳工业大学等欧洲机构的团队也发表了独立成果。二十多年前提出的造钟方案，至此变成现实。

图 1 核光钟核心实验装置丨丁世谦/清华大学

那么，这项工作有什么意义呢？

简单地说，与利用核外电子能级跃迁计时的传统光学原子钟不同，核光钟以原子核的能级跃迁为计时依据，有望实现更稳定的计时，并为暗物质研究提供新的工具。

不过，要想弄明白我们执着于计时的缘由，还得从计时的基本原理讲起，接下来就详细说说。

给时间找个靠谱的“节拍器”

计时，原理说白了就是“数拍子”——只要有一个重复变化、周期稳定的过程，就能用它来测量时间。钟摆慢悠悠来回规律摆动，石英晶体以每秒数万次的频率振动，都能借助计数装置换算成秒、分和时。

甚至你凭感觉用手打个节拍，默数 1、2、3……也能拿来估算时间，只是拿手表对照一下，就会发现误差不小，这是因为我们“打不稳”拍子。而节拍稳定，时钟才能走得准。

此外，节拍的频率有点像尺子上的刻度：在其他条件相近时，频率越高、单个振荡周期越短，就越有利于把时间分得更细。计时技术的发展，一个重要方向就是不断寻找更稳定、频率更高的“节拍”，但这并非易事。

比如，摩擦会削弱钟摆的摆动，温度变化会让石英晶体的振荡频率发生偏差，这都会影响计时精度。为了让节拍更稳定精细，科学家开始向原子寻找校准标准。

这里要用到一种叫做“原子跃迁”的现象，原子中的电子处在特定的能量状态，像站在一道道台阶（能级）上。电子可以在不同台阶之间跃迁，这个过程需要以光子的形式吸收或释放固定的能量。而光子的能量与电磁波的频率直接相关，特定的能级差就对应着特定的频率。

用光探测原子的跃迁，观察原子对不同频率的光有何响应，实验人员能判断并调整光的频率。只要是同一种原子，在相同条件下，电子在给定的两个能级间跃迁时吸收或释放的光子有确定的特征频率，可以作为天然的频率参照。现在常用的原子光钟，就是利用原子跃迁校准激光，再通过测量激光的振荡频率，将其换算成时间读数。

核光钟与普通原子光钟的基本思路相似，都是利用特定的量子跃迁为激光提供频率参照。区别在于，普通原子光钟利用的是原子中电子相关的能级跃迁，而核光钟利用的是原子核内部的能级跃迁。

图 2 基于钍-229 原子核跃迁的核钟示意图

研究者用激光探测钍-229（Th-229）的原子核。当激光频率与特定的核跃迁频率匹配时，就会出现可以识别的共振信号。实验人员可据此确定核跃迁对应的频率，并用它校准激光，再将激光的振荡换算成时间。

找到“频道”之后，还得听清回应

虽然核光钟的原理不难理解，但实际操作起来是很困难的。

首先，原子核通常需要吸收很高的能量才能发生跃迁，常规激光难以触及。钍-229 却有一条低能核跃迁，让科学家有机会用激光探测它。这道低台阶，给核光钟打开了一扇门。

图 3 利用激光对钍-229 原子核实现从基态到激发态的转变。图中的蓝色和红色圆球分别代表中子和质子

这个“频道”究竟在哪里？早期实验测得的核跃迁能量误差较大，研究者只能在很宽的频率范围内搜索。这像听收音机转旋钮找频道，只有调对了位置才能收到清晰的信号。实验人员一遍遍缩小范围，才逐渐确定了共振频率。

找到“频道”之后，实验人员还得造出能对准它的光源。实验所需的光波长约 148 纳米，人眼看不见，空气还很容易吸收它。实验人员需要设计特殊的光学转换过程，才能把其他波长的激光转换成这样的紫外光，再让紫外光经过真空等受控环境送到样品上。

样品同样难做。钍-229 十分稀缺，研究者把它掺入透明晶体，让激光同时探测许多钍核，增强信号。图5中的晶体像一小截玻璃棒，它要容纳钍核，也要让探测光通过。气泡、杂质和损耗，都会让微弱的信号更难读清。

图 4 掺钍氟化钙晶体 TS1，原图标尺为 5 毫米丨Huang 等，Nature，2026

怎样判断激光频率是否对准了核跃迁？早期晶体实验收集激发态原子核回到低能态时发出的荧光，其强度在约十分钟的时间尺度内缓慢衰减。当研究者还在收集回应时，激光频率却可能已经漂移，校准便难以跟上。

两组团队采用吸收探测：激光穿过晶体时，原子核会吸收少量的光。实验人员让频率在共振附近小幅变化，根据透过的光强判断频率偏高还是偏低，再让控制系统及时调整。

图 5 利用掺钍晶体探测核跃迁的示意图

图 7 中，信号在中央由负值变为正值，穿过零值的位置就是校准目标。共振附近信号的正负值，帮助控制系统判断该把频率调高还是调低。

图 6 核吸收误差信号为自动校准提供依据丨Huang 等，Nature，2026

探测、判断、调整、再探测，这些动作连成了“闭环”。激光持续照射样品，原子核的吸收信号不断参与校准。造钟的奥妙，就在这一轮轮及时的纠偏里。

此外，在这个过程中还有个困难必须解决。钍-229 核光钟对应的光，一秒能振荡约 2000 万亿次。普通电子计数器跟不上这样的频率，实验人员需要用“光学频率梳”来翻译，把极高的光频与电子设备可以测量的信号联系起来，这也不是件容易的事情。

图 7 原子光钟与核光钟的工作原理概览丨清华大学公开报道

核光钟是怎么造出来的？

虽然成果刚刚发布，但实际上核光钟的研究已经持续了二十多年。

2003 年，德国研究者提出了设想。2019 年，日本团队用X射线间接制备了钍-229 核激发态，并测量了相关参数。2024 年，德国与奥地利合作团队、美国加州大学洛杉矶分校等团队，分别用紫外激光直接激发钍-229 核跃迁，进一步确定了共振频率。

同年，美国 JILA 研究机构与欧洲合作者精密比较核跃迁和锶原子光钟的频率；日本团队在离子阱中用激光探测电子跃迁来辨认核态，取得衰变参数。这些工作为后来造钟提供了参照，逐步解决了如何找到核跃迁、确定并准确测量其频率等基础问题。

但想要真正把核跃迁变成一台能稳定运行的钟，还需要解决另外几个难题：产生频率足够稳定的真空紫外激光，制备合适的掺钍晶体，并从微弱的核吸收信号中实时判断激光频率是否偏离。

清华团队及合作者则利用镉蒸气转换激光频率，产生了能持续照射样品的波长 148.4 纳米的真空紫外激光，为直接、精密地探测钍-229 核跃迁提供了关键工具。

到了生长晶体这一步，钍-229 的稀缺就成了难题。新晶体的生长原料只含 1.4 微克钍-229，1 微克等于百万分之一克。清华团队集中核素原料，并且长出了毫米尺度的晶体。实验中，清华团队改进光源和探测器，读清核吸收信号，实现了激光频率的闭环校准。

欧洲团队则用固体晶体转换激光频率，配合钍浓度更高的样品，使装置连续运行约一天，无需人工干预。不同装置都走通了自动校准，后续实验也能比较两种方案的性能。

图 8 欧洲核光钟的晶体与装置展示丨Thorsten Schumm/TU Wien

清华团队考虑了温度等因素的影响，将新晶体的测量结果与 JILA 此前的数据作比较，结果在测量不确定度范围内相符。这类比较有助于检验不同实验室能否可靠复现同一跃迁的频率。

为什么我们要变着法造更准的钟？

看到这里，你可能会有疑问，为什么我们这么执着于造出更精确的计时器呢？

首先，导航、通信和深空测控，都依赖准确的时间基准。这与我们的日常生活都有关系，打个比方，假如导航卫星上的钟有 1 毫秒的误差，且未被识别和修正，对应的信号测距误差就约为 300 公里，而实际定位误差还取决于多颗卫星的相对位置等因素，不过也足以严重干扰定位。所以当你跟着导航串街走巷一下就找到了想去的地方，不妨也感谢一下精确的时钟。

其实，从应用角度来说，现有的原子钟已经非常精确了，甚至最好的原子钟性能上还优于刚刚起步的核光钟。那为什么科学家还要费力研制核光钟呢？

原来，核光钟在稳定方面更有潜力。科学家希望利用核跃迁对部分外界电磁扰动较弱的响应，探索更稳定的频率参考。含钍晶体能在室温附近工作，也为紧凑化设计提供了条件。

目前，核光钟仍是一套复杂的实验装置。晶体样品只有毫米尺度，整套系统还包括光源、探测器和控制设备。要让它在实验室以外稳定工作，这些部分都需要进一步优化。

核光钟的价值还远不止于计时，它还能帮助科学家寻找暗物质的线索。暗物质看不见，科学家却能从它对星系等天体的引力影响中推断它的存在。一台钟，怎么会和暗物质扯上关系？

一些理论预测，某类质量极轻的暗物质可能让钟的节拍出现极微小的周期变化。就像一支节拍器悄悄变快、变慢，精密的钟有机会察觉这样的变化。

研究者让核光钟与原子光钟反复“对表”，比较两种钟每秒的“拍数”。两种钟使用的校准标准不同，暗物质若影响它们，节拍变化也可能不同。研究者观察两种“拍数”的比值是否出现有规律的变化，就有机会找到线索。

欧洲团队比较了核光钟和镱离子光钟的节拍。在约 23 小时的观测中，团队没有发现可信的暗物质信号。虽然没有探测到暗物质信号，但“没找到”本身也是重要的信息，这个结果帮助他们估计：对于所研究的暗物质假设，在这次测量范围内，暗物质对钟的影响最多能有多大。

图 9 核光钟与镱离子光钟的频率比较实验示意丨Toscani De Col 等，Nature，2026

温度变化、激光不稳定等因素也会影响读数，研究者需要仔细排查，分清读数变化的原因。今后延长观测时间、提高测量精度，科学家就有机会检查更微弱的信号，继续寻找暗物质的线索。

结语

再看那块像玻璃棒的晶体：其中的钍核，已经能够给激光提供校准标准。不同国家的研究者探测核态、测准频率、制备样品；清华与欧洲团队又让核吸收信号持续参与纠偏。一个设想，就这样成了能运行的钟。

研究者还需要改进材料和测量方法，让这台钟连续运行得更久，并检验不同晶体、不同实验室的读数能否经得起比较。人类把时间量得更细，也就有机会看清从前藏在读数里的微小变化。

而核光钟的意义是双重的：作为计时工具，它代表了一条可能超越原子光钟的全新技术路径；作为物理实验平台，它以极高的频率灵敏度，为检验基本物理常数、寻找暗物质提供了新的探针。

时间的小数点后面，藏着我们要量准的路，也可能藏着关于暗物质的新线索。我们用钟安排一天的生活，物理学家则想用钟，寻找暗物质可能留下的微弱信号。

参考文献

[1] Huang B, et al. A nuclear clock synchronized to 229Th. Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1.

[2] Toscani De Col L, et al. A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop. Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4.

[3] Masuda T, et al. X-ray pumping of the 229Th nuclear clock isomer. Nature, 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1542-3.

[4] Tiedau J, et al. Laser Excitation of the Th-229 Nucleus. Physical Review Letters, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.182501.

[5] Elwell R, et al. Laser Excitation of the 229Th Nuclear Isomeric Transition in a Solid-State Host. Physical Review Letters, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.013201.

[6] Zhang C, et al. Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock. Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07839-6.

[7] Yamaguchi A, et al. Laser spectroscopy of triply charged 229Th isomer for a nuclear clock. Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07296-1.

[8] 清华大学. 祝贺！清华团队在国际上率先研制成功核光钟. 2026-10-07.

作者丨栾春阳 中国移动研究院未来研究院研究员

审核丨刘志海 哈尔滨工程大学物理与光电工程学院教授 物理演示科普实验室主任

责编丨丁崝