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中欧科学家同期独立造出世界首批核时钟，人类重新定义时间


DeepTech深科技
2026-06-23 19:27·北京·《DeepTech深科技》官方网易号

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在精密计时领域，目前最先进的光学原子钟以原子外壳的电子能级为基准，经过七十年的发展，其最优系统在四百亿年内误差仅一秒。

1976 年，两位物理学家首次在钍-229 原子的衰变谱中发现了一个反常的低能级。这个起初被怀疑是测量误差的数据，却将学界对钟摆的终极想象引至原子核内部，如果核时钟设想成真，人类对时间的度量将达到前所未有的精度：理论上每三千亿年才会积累一秒误差。

经过二十余年的理论筹划与艰难实验，2026 年 6 月初，世界首批核时钟在欧洲与中国两支独立团队的实验室中几乎同时诞生。无数物理学家翘首以盼的“梦之钟”，终于开始飞速转动。

一步之遥：让激光触及核跃迁

光学原子钟以电子在能级间跃迁的频率作为基准。电子位于原子外层，对外部电磁场的变化较为敏感，这限制了时钟在实验室外的精度。而核时钟把频率参考从电子壳层移到原子核。后者体积仅为原子的万分之一，在电子云的包裹中，几乎不受外界扰动的影响，因此更具便携性和长期稳定性。

绝大多数核跃迁所需能量在千电子伏特（keV）至兆电子伏特（MeV）级别，是可见光能量的数百万倍，需要高能伽马射线才能激发，远超当前激光技术的能力边界。但钍-229 是已知的唯一例外，它的低能同核异能态位于约 8.4 电子伏特（eV）处，对应约 148 nm 的真空紫外（VUV）波段。

钍-229 的异常低能级源于一种名为“近抵消”的巧合现象：其基态和异能态各自的束缚能都在 MeV 量级，分为库仑能和核力两部分，在两种态之间，这两部分几乎完全抵消，从而使跃迁能量塌缩至 eV 量级。这种特性既使激光驱动成为可能，也让该跃迁对基本物理常数的微小变化异常敏感。

理论可行性已被证实，要造出可用的装置，让激光抵达原子核是必要条件。最近两年，全球研究者针对难点逐个突破，相继取得了一些进展。2024 年，德国联邦物理技术研究院（PTB）与维也纳工业大学（TU Wien）的托尔斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）团队合作，首次在固态晶体中成功激发钍-229 核。

当年年底，美国 JILA 研究所的叶军团队首次通过光梳精确测定跃迁频率；2025 年，波长 148 nm 的连续波激光器问世，优化方案也陆续出现；2026 年初，高浓度掺杂晶体的吸收信噪比也达到要求。

直到近日，两支科研团队首次将激光主动锁定至核共振，补齐了制造核时钟所需的最后一块拼图。

欧洲方案：与离子钟对话

6 月 3 日，舒姆团队在预印本平台 arXiv 发文，他们将钍-229 原子核嵌入大小仅有数毫米的氟化钙（CaF₂）晶体，在约 21.6 °C 的室温下运行。VUV 激光由四硼酸锶（SBO）晶体倍频生成，到达光电倍增管（PMT）时功率只有约 65 皮瓦（pW，10-12 瓦），相当于普通 LED 灯泡功率的数十亿分之一。这是一束极弱的光，但足够以吸收光谱的方式探明核跃迁的位置。



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（来源：arXiv）
锁定精度的关键是反馈速度。研究团队在中心频率两侧调制激光，把核共振两点的吸收差作为误差信号，以秒为单位持续修正激光频率。实验显示，这台核时钟的稳定性指标达到 3×10-12/√τ（其中τ 为测量时长）；连续运行一天后，精度相当于每三百万年误差一秒。

研究中，团队还带着核时钟走出实验室，开始解决实际问题。他们将核时钟激光的次谐波通过频率梳，与一台位于奥地利联邦计量监督局（BEV）的镱离子单离子钟（Yb⁺）持续比对，建立了核时钟与既有光学原子钟之间的频率链路。

在 2026 年 4 月初连续约 23 小时的运行中，研究者用核时钟数据校验了多种以超轻标量玻色子为载体的暗物质模型。在与光子的耦合上，核时钟的表现已与最佳原子钟持平；在涉及强相互作用力（把夸克束缚在质子和中子内部的基本力）和夸克质量的计算中，核时钟可将此前结论的精度进一步收敛两到三个量级。

团队指出，得益于钍-229 原子核能级跃迁的超高敏感度，即便仪器本身精度尚不及最佳光学原子钟，但依然可在基础物理测试中取得较好表现。

中国方案：双晶体互证

6 月 7 日，清华大学丁世谦领衔，联合多家单位在 arXiv 发文，宣布其自研核时钟问世。



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（来源：arXiv）
其中，清华大学和北京量子信息科学研究院联合搭建的激光光源是这项研究最具独特性的部分。研究团队基于此前发表于《自然》（Nature）的工作，进一步升级了镉蒸气中的共振增强四波混频（FWM）方案，将 148.4 nm 连续波激光的输出功率从此前的百纳瓦（nW）推高至十微瓦（μW）级别，到达晶体表面的 VUV 功率约 5 μW，比欧洲团队高出约四个数量级。

研究团队还准备了两块独立生长的钍掺杂氟化钙晶体，用于交叉比对。其中一块由上海光机所采用布里奇曼-斯托克巴格法生长（下称晶体甲），另一块由清华大学与上海硅酸盐所联合采用温度梯度法生长（下称晶体乙）。

其中，晶体乙仅使用 1.4 微克的钍-229 原料，最终掺杂浓度是晶体甲的约三倍，真空紫外光透过率也提升到约 7%。钍-229 是一种全球稀缺的同位素，产量极为有限。该发现表明，极小用量也能做出满足核时钟要求的晶体，这对后续规模化生产有重要的参考意义。

搭建时钟时，中国团队采取了逐步迭代路线。第一步用晶体甲配合光电倍增管读数，稳定性约为 7×10-12/√τ。第二步换用光电管（phototube），借助更高的光通量和线性响应突破探测瓶颈。第三步换上更优的晶体乙，稳定性指标达到 2×10-12/√τ。在长时间运行下，这个数字会沿着“测得越久越稳”的规律持续下降，最终达到 10-14 量级，实现了良好的长期闭环稳定性。

通过对比这两块出自不同实验室、生长方法不同、掺杂浓度迥异的晶体，研究团队还发现，其读数偏差极小。这系统地证实，固态钍核时钟的频率参考可在不同晶体上达到 10-13 量级，保障了其在规模实用阶段的可推广性。

两项工作在核心思路上几乎一致，都使用 CaF₂晶体作为宿主，148 nm VUV 激光作为探针。真正的差异在工程取向层面。欧洲团队激光功率较低，但已构建好与既有光学原子钟的比对标准，并率先利用核时钟开展暗物质搜索；中国方案的激光功率更高，具备更大的信噪比上行空间。

具体精度方面，两者量级相同，中国团队略优于欧洲团队。在测试方式上，双方分别验证了核时钟从科学验证走向计量标准所需的两个关键维度：欧洲团队测试了连续一天运行的表现，证实长期闭环的成熟度；中国团队跨晶体完成复现，系统验证了核时钟频率参考的可复现性。

离造出世界上最准的钟，还有多久？

以色列理论物理学家吉拉德·佩雷斯（Gilad Perez）评论这两项工作时表示，核时钟已经从一个“有潜力”的系统，发展成为一个“功能完善的精密仪器”。但第一代核时钟的精度仍有提升空间。

对此，两支团队都已点明改进路径，直接方式是提升 VUV 的激光功率。欧洲团队估算，借助四硼酸锶（SBO）增强腔与商用紫外激光，可将功率推至 100 nW 以上；中国团队的镉蒸气方案已经验证 10 μW 可行。

更根本改进方向在于材料。含钍晶体或无核自旋的宿主晶体，有望进一步提高计时精度。欧洲团队估算，改进材料后，固态架构核时钟的最优稳定性指标可达 10-16/√τ，接近当前最佳光学原子钟的精度。

为避开所有与固态环境相关的限制因素，终极方案是低温离子阱中捕获少数钍-229，以此造出离子核时钟。但受限于技术发展，这条路径早在 2012 年提出，至今仍未在实验室实现。

未来，核时钟可凭借对物理常数的高灵敏度，成为基础物理探测器的组成部分，帮助物理学家解决超轻暗物质、基本常数漂移、等效原理偏离等现有原子钟难以衡量的问题。

如果把目光放得更长远些，稳定性一旦达标，基于固态方案、无需真空与超低温支持系统的便携式核时钟，可作为大地测量与监测重力势变化的高灵敏度传感器，应用于资源勘探、火山与构造活动监测；在卫星与深空导航等极易受电磁场干扰的场景中，核时钟的抗扰动能力也将使其发挥不可替代的作用。

从第一束人造激光抵达原子核内部的那一刻起，对时间的度量将不再独属于电子。造出核时钟将开辟一片全新的研究领域，舒姆预言，“我们面临着激烈但友好的全球竞争。”

参考内容：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01909-7

https://arxiv.org/pdf/2606.04997

https://arxiv.org/pdf/2606.08870

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成








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