清华大学研制出全球首台核光钟

清华大学物理系副教授丁世谦团队于2026年10月7日在《自然》杂志在线发表研究成果，宣布在国际上率先研制出钍-229核光钟并实现稳定运行。该成果与欧洲团队同期完成，但中国团队在秒级稳定度上优于欧洲团队接近一个数量级，且单次晶体生长所用核素仅为欧洲团队的二百分之一。核光钟的实现标志着量子精密测量从原子中的电子跃迁拓展至原子核内部的能级跃迁，被视为本世纪以来该领域最重要的突破之一。

要理解核光钟的意义，需要先理解原子钟的工作原理。原子钟利用原子内部电子在特定能级间的跃迁频率作为计时基准，相当于“听电子的节拍”来计时。目前最精确的原子光钟能够提供极高精度的时间计量，但其性能提升面临一个根本性障碍：电子跃迁对外界电磁环境、温度和激光系统的扰动高度敏感，因此性能最高的原子光钟仍主要运行在实验室中，小型化和工程化面临挑战。

核光钟的原理则不同。它将计时基准从核外电子跃迁转移到钍-229原子核内部的能级跃迁。钍-229是唯一已知的、其原子核第一激发态能量低到可以用激光直接驱动的同位素，跃迁能量约为8.4电子伏特，对应148纳米的真空紫外波长。原子核的大小约为核外电子云尺寸的几万分之一，这意味着核跃迁对外界电磁环境扰动的影响更小，原理上有望提供比原子光钟更高精度的时间频率基准。

丁世谦用一个通俗的比喻解释了这一区别：“老式的钟摆，每秒钟差不多摆动一次，可以通过数钟摆摆动多少次来知道时间过了多少。这次的核光钟，就是用原子核的节拍作‘钟摆’，这个节拍要比挂钟的节拍快得多，每秒钟差不多是2000万亿次。”

核光钟的研制长期面临两个核心难题：缺少148纳米连续波激光，以及钍-229核素的极度稀缺。

光源难题。 此前学界利用脉冲激光实现了钍-229核跃迁的直接激发和测量，但脉冲激光无法用于连续运行的时钟。缺乏148纳米波长的连续波激光，是制约核光钟研制的核心瓶颈。丁世谦团队历时近五年，没有走主流技术路线，而是另辟蹊径，选择了上世纪70年代提出但主要应用于脉冲激光的“四波混频”技术，在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光。

核素难题。 钍-229是一种极其稀缺的放射性同位素。在多方协同攻关下，团队使用当时仅有的1.4微克钍-229，一次性成功生长出毫米尺度的高质量掺钍-229氟化钙晶体。这一单次生长所用核素仅约为同期欧洲团队的二百分之一。

依托这两项自主研制的核心组件，团队完成了钍-229核跃迁吸收光谱测量，并将激光频率稳定锁定至核跃迁，实现了核光钟的闭环运行，建立起从核心光源、核钟晶体、核跃迁光谱到闭环运行的完整技术体系。

据新华网报道，中国团队研制的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队接近一个数量级。另有报道指出，实验结果显示清华团队的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队6倍。

中国团队与欧洲团队的具体技术路线有所不同：中国团队使用的激光器功率高于欧洲团队，但所用晶体的钍-229原子浓度较低。欧洲团队（来自维也纳和布伦瑞克的研究机构）的核光钟据EurekAlert报道，能够在不需用户干预的情况下稳定运行超过24小时。

清华大学物理系主任翟荟评价称：“核光钟有望成为新一代时间频率基准，其研制成功是本世纪以来量子精密测量领域的重要突破。核光钟的研制成功及稳定运行意味着量子操控的能力深入到原子核尺度，为量子精密测量和量子操控开辟新的研究方向。”

核光钟的应用价值建立在两个关键属性之上。

更高的精度。 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，原理上有望实现比原子光钟更高的计时精度。同时，钍-229核跃迁对基本常数变化等新物理效应具有显著增强的灵敏度，核光钟可为检验基本物理规律提供新的精密探测平台。

小型化与工程化。 固态核光钟具有潜在的小型化和工程化优势。丁世谦指出，原子光钟要把精度做到极高，需要精细控制电场、磁场、温度以及激光系统等带来的各种扰动，而核光钟有望“把一个极高精度的计时装置真正用了起来，而不只是实验室里的一个工具”。这一优势使其有望为卫星导航、深空探测和国防安全等场景中的高精度时间频率需求提供实用的技术选择。

该论文的通讯作者之一为清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦。据清华大学官网2026年2月的报道，丁世谦团队“平均年龄不到30岁”，其中包含多名“00后”研究人员。这一年轻团队在不到五年时间内完成了从光源研制到核光钟闭环运行的完整技术攻关。