2026年10月7日，清华大学物理系副教授丁世谦团队在《自然》杂志在线发表研究成果，宣布在国际上率先实现钍-229核光钟的稳定闭环运行。这一成果标志着人类时间计量技术从原子尺度进一步深入到了原子核尺度，为卫星导航、深空探测等前沿场景提供了全新的技术支撑。

从“电子跃迁”到“核跃迁”

时间是人类描述世界最基础的物理量之一。当前主流的原子光钟利用原子中外层电子的能级跃迁作为计时基准，精度已经达到“数千亿年不差一秒”的水平。但电子处于原子外层，容易受到外界电磁场、温度变化等因素干扰，至今难以脱离实验室环境，极大地限制了其实际应用。

核光钟则利用钍-229原子核内部的能级跃迁作为频率参考。由于原子核尺度远小于原子尺度，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，有望为相关核心应用场景中的高精度时间频率需求提供实用的技术选择。

丁世谦用了一个形象的比喻：“我们可以把核光钟理解成一台超级稳定的时间机器，它和日常钟表的核心功能一致，但物理原理不同。钟表会因温度变化、机械磨损等产生时间误差，而核光钟凭借全新的工作原理，几乎可以实现分秒不差。”

两大技术瓶颈的突破

二十多年前，德国科学家提出利用钍-229原子核能级跃迁构建核光钟的科学设想。此后，核光钟成为量子精密测量领域国际竞争的前沿高地，欧美日多国纷纷布局。但始终受制于光源、核钟晶体、跃迁探测等技术壁垒，未能实现真正的核跃迁频率闭环锁定。

第一道关卡是光源。 钍-229的核跃迁能量约为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，一直是制约核光钟研制的核心瓶颈。历经三年攻坚，2025年初，丁世谦团队创新性地使用四波混频技术，选定镉蒸气作为非线性介质，成功研制出148纳米连续波窄线宽真空紫外激光，目标波段输出功率超过10微瓦，且在140至175纳米区间具备连续可调谐能力。与之前的单频真空紫外光源相比，线宽降低了超千万倍。

第二道关卡是晶体。 钍-229核素极其稀缺，全球年产量有限。研究团队联合中国科学院相关研究机构，突破稀缺放射性核素掺杂晶体的制备难题，仅利用1.4微克钍-229便成功生长出毫米尺度的高质量掺钍氟化钙晶体，所用核素仅为欧洲同期团队的二百分之一。

在攻克核心光源和晶体材料的基础上，团队进一步开展了钍-229核跃迁精密光谱测量，获得高分辨率核跃迁吸收光谱，并实现快速吸收信号读出。通过筛选窄线宽、低温度敏感性的核跃迁谱线作为频率参考，团队建立了基于核跃迁信号的激光频率反馈控制系统，首次完成了从核跃迁光谱测量到核跃迁频率基准实际运行的关键跨越。

稳定度优于欧洲团队近一个数量级

最终，清华团队搭建起一套覆盖核心光源、核钟晶体、核跃迁光谱探测到闭环运行的完整技术体系。实验结果显示，清华团队研制的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队近一个数量级。该成果与欧洲研究团队同期独立完成的工作共同标志着钍-229核光钟的成功研制，是核量子精密测量领域的重要突破。

丁世谦表示：“不能因为所有人都说这件事很难就先默认自己做不成。不要先给自己设限。”

该成果得到了国家自然科学基金项目（批准号：12341401和12274253）等资助。国家自然科学基金委员会在成果介绍中指出，该研究“将高精度光学频率锁定技术从原子电子跃迁拓展至原子核跃迁，为发展新一代高精度时间频率基准提供了重要实验基础”，并“体现了我国科研团队在真空紫外激光、核量子精密测量及高性能功能晶体等领域的自主创新能力”。

 

丁世谦（中）团队合影