卡了全世界整整20年！這顆“硬釘子”，被中國團隊拔掉了

你有沒有想過，世界上最準的鐘，可能藏在比頭發絲還要細數百億倍的地方？

從日晷到機械鐘，從石英表到原子鐘，人類對時間的追求從未停歇。今天最先進的光學原子鐘，精度已經高到驚人。

清華大學物理系丁世謙老師曾用一個極其生動的比喻來解釋這種精度：“測量地球到太陽往返 30 次的距離，誤差不超過一根頭發絲直徑的 1%。”時間越準，人類丈量世界的尺子就越細。

但就在所有人以為原子鐘已經是“終點”的時候，科學家問了一個更瘋狂的問題——如果把鐘表的“表芯”，從電子換成原子核，會怎么樣？

核鐘示意圖

這個問題，開啟了長達數十年的追逐，也埋下了一顆讓全世界卡殼將近二十年的釘子。

原子鐘的“天花板”，

和一個更大膽的構想

要理解核鐘的誕生，得先說說今天的原子鐘為什么還不夠好。

原子鐘的計時原理，是利用原子外層電子在不同能級之間跳躍時，發出或吸收的光的頻率來“數時間”。這個頻率極其穩定，比任何機械結構都精確得多。但問題在于，電子在原子的最外層，暴露在外界環境里。溫度波動、電磁場干擾、原子之間的碰撞……每一種擾動都會讓電子的跳躍頻率產生微小偏差，積累下來，就成了原子鐘的精度瓶頸。

正如丁世謙所指出的：“現有的原子光鐘依賴電子躍遷，對外界電磁環境較為敏感，且依賴超高真空、激光冷卻與囚禁等復雜實驗裝置。”

科學家于是想到，有沒有一個更“穩”的地方可以藏一把鐘？答案指向了原子核的內部。原子核深藏在電子云的層層保護之中，外界的電磁場、溫度、碰撞，很難直接觸動它。

核鐘的工作原理 圖片來源：清華大學

這，就是“核鐘”的構想——以核躍遷替代電子躍遷，兼具極高精度、強抗環境擾動能力，以及便攜可工程化的潛力。

核鐘的意義，也遠不止計時本身。它可以變成一把極其靈敏的“物理探針”，檢驗物理學最基本的常數是否隨時間發生微小漂移，尋找暗物質留下的微弱信號，甚至為未來深空探測器提供不依賴地面校準、完全自主的時間基石。真正精密的鐘，不只是用來報時的，更是用來追問自然規律是否恒久不變的。

構想令人激動，但問題是，怎么才能讓核鐘“走起來”？

一顆釘子，卡住全世界二十年

要讓核鐘計時，原理并不復雜，方法就是用一束激光去“敲”原子核，讓它在兩個能級之間來回跳躍，再把這個跳躍頻率當作“秒針”就行了。

絕大多數原子核的能級躍遷，需要 X 射線甚至伽馬射線量級的能量，遠遠超出普通激光能夠覆蓋的范圍，但元素周期表里有一個罕見的例外——釷-229。

釷-229 有一個極其特殊的性質，它的低能核同質異能態，躍遷能量異常地低，約 8.4 電子伏特，對應波長大約 148.4 納米，落在“真空紫外”波段。這是人類已知的所有原子核中，唯一一個躍遷能量低到激光有機會直接觸達的候選體系。

用激光激發釷-229原子核的低能躍遷示意圖 圖片來源：APS

這個發現，在物理學界引發了巨大的興奮。核鐘，有門了，目標就在 148.4 納米。但接下來十多年，全世界的實驗室卻都卡在了同一個地方：那束 148.4 納米的激光，怎么造？

難題一層疊著一層。

首先，這個波長的光在空氣中會被強烈吸收，整個光路必須放進真空環境；其次，普通光學材料到了這個波段，要么吸收太強，要么色散嚴重，根本無法使用；更關鍵的是，傳統的頻率轉換晶體——物理學家慣用的“變光”工具——到了真空紫外波段，會同時遭遇材料吸收和相位匹配失效的雙重困境。

更要命的是，科學家需要的不只是“能發出一點 148.4 納米光”的方案。核鐘相干操控對光源的要求極為苛刻：波長要對，線寬要窄，相位要穩，功率還要足夠集中。任何一項不達標，這束光都只能遠遠地“照到”子核，卻無法真正讓核鐘“走起來”。

美國實驗天體物理聯合研究所（JILA）、德國物理技術研究院（PTB）、日本理化學研究所……全球頂尖團隊前赴后繼地攻關，卻始終無法同時滿足這幾個條件。

這顆釘子，就這樣橫在核鐘的門口，卡了將近二十年。

如果晶體走不通，為什么不換條路？

就在這場拉鋸戰陷入僵局的時候，來自中國的研究團隊提出了一個簡單卻大膽的追問：如果晶體本身已經很難走通，為什么還一定要用它？因此，他們把目光投向了一種完全不同的介質——鎘蒸氣。

這個選擇，乍看之下讓人疑惑。鎘蒸氣的工作溫度高達 550 攝氏度，原子在高溫中劇烈熱運動、頻繁碰撞。這樣的混亂環境，怎么可能產生一束純凈的激光呢？

但團隊的判斷是，鎘原子的能級結構有一種特殊性質，使它能夠在“四波混頻”過程中充當極為高效的“增效器”。

圖片來源：清華大學

研究團隊把約 375 納米的紫外光和約 710 納米的紅光同時送入高溫鎘蒸氣。入射光進入鎘蒸氣后，在鎘原子的幫助下發生了一次特殊的“混合”。混合之后，新的光出現了——它的波長正是 148.4 納米，也就是核鐘最需要的真空紫外光。這里的“混合”，背后有一條嚴格的規則：新光的頻率 = 2 × 紫外光的頻率 + 紅光的頻率。

要特別注意的是，規則中說的是“頻率”相加，不是“波長”相加。頻率可以理解為光振動的快慢。頻率越高，光子的能量越高。因此，兩份紫外光頻率和一份紅光頻率把各自的“能量份額”湊在一起，最終合成了一束能量更高、波長更短的真空紫外光。

四波混頻讓不同顏色的光按照物理規律重新排隊，這就是為什么研究團隊沒有繼續“死磕”傳統晶體，而是選擇了高溫鎘蒸氣。

兩爐鎘蒸氣，

和一道讓人信服的干涉條紋

可是，一個新問題馬上出現了：鎘蒸氣溫度高達 550 攝氏度，里面的原子都在劇烈運動。原子一運動，就會產生多普勒效應。就像救護車迎面駛來時聲音會變尖、遠離時聲音會變低一樣，運動中的鎘原子“看到”的激光頻率，也會發生偏移。如果每個原子“看到”的頻率都不一樣，那新生成的真空紫外光會不會也被拉得亂七八糟，變成一束“不純”的光？

為了弄清真相，團隊設計了一個優雅的驗證實驗。

他們把基頻激光分成兩路，分別送入兩臺完全獨立的鎘蒸氣爐，各自產生一束 148.4 納米的真空紫外光，再讓兩束光以微小夾角重疊。如果兩束光的相位足夠穩定，重疊處就會出現清晰的空間干涉條紋，就像兩列水波相遇時形成的漣漪圖案。

條紋出現了，而且長期清晰穩定。

這說明兩束光之間的相位關系足夠穩定，四波混頻過程本身幾乎沒有引入額外的相位噪聲。高溫鎘蒸氣的“混亂”，并沒有把光的相干性破壞掉。

相機記錄的真空紫外光斑與空間干涉條紋 圖片來源：清華大學

最終測量數據顯示，四波混頻過程額外引入的高頻相位噪聲極低，對應的單束真空紫外光等效線寬上界僅為 0.08 赫茲。約 97% 的光功率集中在 1 赫茲的極窄帶寬內。

輸出功率超過 100 納瓦，調諧范圍覆蓋 146.97 到 153.7 納米，根據模型預測，該方案有望進一步拓展到 140 至 175 納米。

對于 100 納瓦的真空紫外光，如果聚焦到約 2 微米直徑的光斑，已經足以滿足觀測核拉比振蕩所需的條件。

這意味著，科學家不再只能遠遠地“看一眼”，他們可以開始精細地操控釷-229 的原子核了。核鐘，從理論上的構想，走到了精密測量的門檻。

一把鑰匙，不止開一把鎖

這項成果發表于《自然》（Nature）雜志。但它的意義，并沒有止步于核鐘本身。這束寬調諧、窄線寬的連續波真空紫外激光，同時打開了幾扇此前緊閉的大門。

第一扇，是更精確的時鐘。這套光源可進一步拓展到 167.1 納米，直指鋁離子光鐘——目前世界上最精密的光鐘體系之一。過去，鋁離子的激光冷卻和狀態讀取需要依賴“量子邏輯譜”等復雜的間接方案，好比你想看清一本書，卻只能靠別人轉述。有了這束高相干真空紫外光，科學家將有望直接進行激光冷卻和探測，讓頂級光鐘系統變得更簡單、更精確。

第二扇，是材料科學的“超高清眼鏡”。角分辨光電子能譜是研究高溫超導體、拓撲材料的核心利器，能直接“拍攝”材料內部電子的行為。這束真空紫外光極低的線寬，意味著它在能量上“看得更清”，有望讓科學家分辨出那些被原先噪聲和譜寬淹沒的精細電子結構。

第三扇，是分子科學里的“指紋鑒定”。高分辨真空紫外譜學可以捕捉分子、團簇乃至化學反應中間體的“指紋”，幫助化學家看清反應路徑的每一個細節。而該平臺理論上可覆蓋 140 至 175 納米的寬調諧范圍，意味著它能觸及更多此前難以研究的原子分子體系。

結語

二十年前，148.4 納米的光，還只是教科書上的一個空白。全世界最頂尖的實驗室輪番出手，卻始終無法同時滿足那幾個苛刻的條件。那顆卡住核鐘的釘子，就這樣橫亙了將近二十年。

如今，它被拔掉了。從中國的實驗室里射出的這束光，波長 148.4 納米，連續輸出，線寬極窄，相位穩定。

在量子科技的大版圖中，中國已經在量子保密通信、量子計算等方向持續推進；而這一次，量子精密測量也用這束光，給出了清晰而有力的回答。

那束曾經卡住核鐘的光，今天已經不再只是愿景。

參考文獻

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策劃制作

作者丨欒春陽 清華大學物理系

王雨桐 清華大學物理系

審核丨袁嵐峰 中國科學技術大學副研究員 中國科學技術大學科技傳播系副主任 中國科協科普研究員

策劃丨何雨濛