清华大学科研团队率先实现核光钟运行

近日，清华大学物理系丁世谦团队依托自主研制的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，将激光频率锁定至核跃迁，实现核光钟运行，推动量子精密测量由电子跃迁拓展至原子核跃迁。相关成果7日在线发表于《自然》杂志。该工作与欧洲团队同期完成，在国际上率先实现了钍-229核光钟的运行。

原子光钟利用原子中的电子跃迁获取时间基准，而核光钟利用钍-229原子核内部跃迁作为频率参考，受外界电磁环境扰动更小，原理上有望实现更高计时精度。不仅如此，固态核光钟还具备潜在的小型化和工程化优势，有望为卫星导航、深空探测等场景中的高精度时间频率需求提供实用的技术选择，是当前量子精密测量领域国际竞争的重要前沿。同时，核光钟可为检验基本物理规律提供新的精密探测平台，它的实现还意味着量子操控的能力深入到原子核尺度。

然而，长期以来，核光钟研制面临两大难题：缺少148纳米连续波激光，以及钍-229核素稀缺。该研究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核跃迁的光源瓶颈。面对核素受限难题，在多方协同攻关下，团队使用仅有的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，其单次生长所用核素仅约为欧洲团队的二百分之一。团队完成了核跃迁光谱测量与频率闭环锁定，实现了从测量核跃迁到用核跃迁计时的关键跨越。同时，团队实现的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队近一个数量级。

据介绍，该成果构建起从光源、晶体、光谱测量到闭环运行的完整技术体系，是我国科学界具有标志性意义的重大原创突破。