清华大学丁世谦团队在国际上率先研制出核光钟

北京青年报记者从清华大学了解到，该校物理系丁世谦团队利用自主研制的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。相关成果10月7日在线发表于《自然》。该工作与欧洲团队同期完成，在国际上率先实现了钍-229核光钟运行。

当前，原子光钟和原子微波钟利用原子中的电子跃迁，分别提供了最精确和最实用的时间计量。而核光钟则是利用钍-229原子核内部跃迁作为频率参考。由于原子核尺度远小于原子，核跃迁受外界电磁环境扰动的影响更小，因而原理上有望提供比原子光钟更高精度的时间频率基准；同时，固态核光钟具有潜在的小型化和工程化优势，有望为卫星导航和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。因此，核光钟有望成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，国际同行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。

解决光源之后，另一项关键挑战来自钍-229本身。钍-229极其稀缺，我国相关核素获取渠道受到国外严格限制。面对这一关键战略资源的制约，在多方协同攻关下，团队开展微量钍-229掺杂小体积晶体研制，在没有试错空间的条件下，使用当时仅有的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。

我国科学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。这一成果是本世纪以来量子精密测量领域最重要的突破之一，也是我国科学界具有标志性意义的重大原创性成果。

供图/清华大学

文/北京青年报记者 雷嘉

责任编辑：梁燕(EN003)