從古老的日晷、擺鐘到石英鐘，再到當今最先進的光學原子鐘，人類計時的精度已經達到了每 400 億年僅誤差一秒的驚人水平。而在人類追求精準計時的歷史上，每一項重大突破都伴隨着我們對微觀物理世界認知的深化。
物理學家並未止步於此。在經歷了數十年的理論預測與實驗探索後，一種基於原子核能級躍遷的全新計時設備——“核時鐘”（Nuclear Clock），正悄然走向現實。它比當前頂級的光學原子鐘更爲穩定、緊湊且抗干擾，有望成爲地球上最精確的計時儀器。2026 年 3 月，在美國物理學會全球物理峯會上，來自中美歐日等地的研究團隊分享了最新進展：核時鐘組裝已經進入最後階段，計時精度的新巔峯即將到來。
從原子到原子核：計時的範式轉移
此前，光學原子鐘的計時功能來自原子核外電子在不同能級之間的跳躍。這種跳躍受激光驅動，頻率極高，每秒可達數萬億次。然而，由於電子處於原子的外層，它們極易受到環境電磁場的干擾，這限制了時鐘在實驗室外的穩定性與精度。
相比之下，核時鐘的計時原理則來自原子核內部。原子核的質量和電荷分佈決定了其能級狀態。核時鐘通過測量原子核在基態與激發態（異構體狀態）之間的能量躍遷來計時。由於原子核的體積極小，僅爲原子的萬分之一，且被密集的電子雲包圍，其受環境噪聲（如溫度波動、電磁干擾）的影響微乎其微，因此也能容納遠多於光學晶格原子鐘的發射體，只需相對簡單的熱控（約 -77 °C）即可實現場部署型緊湊時鐘設計。
長期以來，核躍遷所需的能量通常極高，處於伽馬射線波段，超出了現有激光技術的控制範圍。而釷-229（229Th）是一個罕見的例外。早在幾十年前，科學家就預測，該同位素擁有一個極低能量的核躍遷，理論上可以由真空紫外（VUV）波段的激光驅動，可用於核鍾。但受限於實驗條件，無法精確定位該躍遷。
2024 年，這一長期難題終於被攻克，美國科羅拉多大學 JILA 研究所的葉軍（Jun Ye）和加州理工學院的張傳坤（Chuankun Zhang）領導的研究小組，利用頻率梳技術——一種包含約 3,000 萬種頻率的激光——首次精確確定了釷-229 的躍遷頻率，正式吹響核時鐘研製的衝鋒號。
（來源：Ye Labs/JILA/NIST/University of Colorado）
連續波深紫外激光器的問世
此外，要將這一躍遷轉化爲實用核時鐘，就要實現核時鐘的相干控制，關鍵在於研發出一種頻率極穩、線寬極窄且功率足夠的連續波（CW）真空紫外激光器，其波長需接近 148nm。
在這一領域，清華大學丁世謙團隊對激光光源的突破是近期最引人注目的進展之一。2026 年 2 月發表於《自然》（Nature）的研究中，他們利用鎘蒸汽中的四波混頻（FWM）非線性效應，實現了 148.4nm 波長的連續波激光，輸出功率超過 100 納瓦。
更具應用意義的是，該激光器的預計線寬遠低於 100 Hz，比之前所有 190nm 以下單頻真空紫外激光器的線寬改善了五個數量級。研究團隊還開發了一種空間分辨的零差技術，對 FWM 誘導的相位噪聲進行了嚴格上限約束，證實亞赫茲線寬在原理上是可行的。
圖 | 具有窄線寬的 CW VUV 激光器（來源：DOI：10.1038/s41586-026-10107-4）
這一突破解決了核時鐘研製中最核心的技術壁壘，爲核躍遷的相干操縱和高分辨率光譜研究提供了可能。儘管這一進展備受讚譽，但部分研究者在峯會上指出，其長期穩定性仍面臨挑戰，而且，該方案需將有毒鎘蒸氣加熱至 550 °C。
與此同時，葉軍團隊也在嘗試通過特定的晶體（如四硼酸鍶晶體）將光學激光的波長轉換至 148nm。初步測試顯示，該方法可提供近乎穩定的 40 微瓦功率，具備商業應用潛力。其團隊正與總部位於馬薩諸塞州馬爾伯勒的 IPG Photonics 公司合作，後者已爲生長特種四硼酸鍶晶體的方法申請了專利。UCLA 物理學家埃裏克·哈德森（Eric Hudson）表示，“這只是一個此前無人需要解決的技術難題，現在我們即將解決它。”
固體核時鐘的開發瓶頸和未來方向
在確定了激發光源後，如何穩定地承載釷-229 原子核成爲了另一項挑戰。目前主流的方案有兩種，一種是固體方案，即將數萬億個釷-229 離子嵌入固體晶體中；另一種是將少量離子捕獲在離子阱內。其中，由於參與躍遷的原子核數量龐大，固體方案能產生極強的信號，且設備體積更小、易於部署。
然而，其穩定性受限於躍遷線寬，精度目前仍遜色於光學原子鐘。維也納理工大學托爾斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）團隊與葉軍團隊利用嵌入釷-229 的氟化鈣（CaF₂）晶體開展實驗，深入探討了這種“固體核時鐘”的頻率復現性。
結果顯示，目前實現的信號線寬約爲 30 kHz，不足以滿足穩定鐘的要求。研究者懷疑是晶體中雜質所致。不過，通過探索其他晶體和更易製備、雜質更少的薄晶膜，有望進一步縮小線寬、提升性能。其中，曾用於相機鏡頭的放射性塗層四氟化釷或氧化釷都是備選材料。
對於追求極致精度的科學實驗，超低溫離子阱方案仍被視爲終極目標，這項技術需將釷-229 離子冷卻至微開爾文級並懸浮。葉軍指出：“若想實現真正高精度的核時鐘，就必須採用捕獲離子實驗。”可惜這一方案目前尚未在實驗室中實現。
圖 | 葉軍（來源：Ye Labs）
當然，核時鐘的意義遠不止於提供更準確的時間。由於其躍遷機制涉及原子核內部的強相互作用力與弱相互作用力，它對物理常數隨時間的演變異常敏感。這意味着，核時鐘可以作爲一種極度靈敏的探測器，用於尋找暗物質或驗證基礎物理定律的穩定性。此外，由於核時鐘的結構相對簡單、堅固且抗干擾能力強，可脫離實驗室環境使用，在深空導航、地質災害預警以及商業量子通信等領域具有廣闊的落地前景。
物理學家埃裏克樂觀地預測，2026 年將是核時鐘邁入實測階段的關鍵之年。中國、歐洲、日本和美國等地的十餘個研究團隊正在緊鑼密鼓地組裝核時鐘所需組件，人類記錄時間的精度或將再次迎來量級的躍升。
參考來源：
1.https://www.nature.com/articles/d41586-026-00848-7
2.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09999-5
3.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10107-4
4.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6
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