核钟研究获突破：钍-229信号读出速度提升百倍

高精度原子钟可以用来寻找暗物质对基本物理量造成的微小影响。图片：J. Wang/NIST

导读：

人类对宇宙的探索永无止境。 倘若想抓住时间长河里最细的那粒沙，你得借助这个神秘原子核的力量。

晨星｜撰文

2026年9月16日，《自然》杂志刊登了一篇来自奥地利维也纳工业大学团队的研究：研究者使用窄线宽148纳米连续波紫外激光，测到了掺钍-229氟化钙晶体的吸收共振谱，其单点探测速度相比传统的荧光探测法快了两个数量级，为下一代精密时钟——核钟的快速纠偏提供了关键条件。[1]

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为何要做核钟？

一个精确的时钟起的作用可能超乎想象：比如，GPS要靠信号传播的时间计算距离。卫星钟每差100纳秒，定位就可能偏30米。 [2] 若不校正，定位一天就能差出十多公里，因此卫星要携带铷原子钟等高稳定时钟，以确保地面生活的稳定运行。而更精准的钟还可以监控基本物理常数的稳定性，从而可能发现或者排除一类暗物质模型。

怎样才能得到精确的时间呢？就像钟摆的频率是一秒摆一圈，我们可以通过一个精确、稳定的激光频率来得到精确的时间。而原子谱线就是天然的激光频率基准，所以寻找更窄（更精确）、频率更高的原子谱线就成了人们追求的目标。 [4][6][7]

目前性能最好的锶光钟已达到10^-19量级的稳定度，但人们发现，钍-229碰巧有一条低能核跃迁，波长148.4纳米，频率2.02拍赫兹，接近锶光钟基频的5倍。并且，钍核激发态在氟化钙晶体中的寿命约为600秒，其长寿命带来的自然线宽预计只有毫赫兹，适合充当精细的频率标尺。[1]

长寿命也带来了另一个麻烦。2024年，叶军等人用真空紫外频率梳激发了钍核的这条跃迁，并用核辐射荧光定位了跃迁线位置。但钍核超长的激发态寿命反而导致了漫长的原子发光时间、重置时间，导致激发、探测和系统重置都需要数百秒，让两轮荧光探测之间要等数十分钟[1]。这段时间里人们无法对激光频率做矫正，直接限制了核钟精度。

因此，如何更快测到钍核的谱线成了人们研究的下一个问题。 [1][7]

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从透射光里找出纠偏方向

如果原子发光过慢，那利用原子吸光呢？

来自奥地利的团队不是测原子发光，而是测量原子吸光。他们将一束148纳米激光（紫色）打到掺钍氟化钙晶体上，在晶体后方放置光电倍增管（PMT），以探测148纳米激光的透射信号，同时保留侧向荧光收集光路作对照。当激光频率接近核共振，一部分光子被钍核吸收，左侧光路会观测到原子荧光，而后方PMT会接收到减弱的透射信号。 [1]

通过对比两个信号的变化，研究团队就可以定位钍核跃迁频率所在，并对原子吸收谱做评估。 [1]

图1 实验光路。紫色竖线代表入射真空紫外光，晶体上方的PMT读取透射光；左侧光路收集荧光。右侧为O、D中心的结构示意。来源：文献[1]图1，CC BY 4.0。

但原子吸收谱并不好测到：极窄的跃迁谱线对激光线宽提出了很高的要求，如果激光频率分布过宽，则仅有少量频率成分被钍核吸收，让吸收信号变得微乎其微。为让激光能量在频域足够集中，研究团队在此前研制的全固态连续波光源基础上，借助高精细度光学腔进一步稳频。他们将148纳米激光线宽压至不高于10千赫兹，较频率梳方案改善了一个量级。此外，在经过光路和晶体后，探测器接收到的148纳米光功率只有约70皮瓦，激光功率的起伏会淹没微弱的核吸收谱线。对此，实验人员通过测量共振附近和偏离共振时的透射光比例，从而消除掉光强漂移带来的影响。 [1][5]

最终，研究人员得到了宽约90千赫兹的D中心吸收谱线（如下图c），与荧光探测法读出的谱线位置一致（下图b），但吸收谱线每个数据点仅积分3秒，探测周期相比荧光探测法改善了两个数量级。 [1]

图2 两种读出识别同一组核共振。b行为荧光，c行为吸收；最右侧弱线在荧光中信噪比不足，在吸收中可以辨认。下方列出能级与拟合参数。来源：文献[1]图2，CC BY 4.0。

在特定的谱线附近，研究团队通过小幅调制激光频率，从透射光的变化中提取出误差信号，可直接用于核钟的反馈纠偏。 [1]

图3 上图为进一步稳频后测得的D中心核吸收线，下图为误差信号。零点附近的正负变化给出纠偏方向。来源：文献[1]图3，CC BY 4.0。

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距离真正的核钟还有多远

4月份，这项吸收谱研究已经公开在了预印本网站上。随后6月份，欧洲和清华两个团队背靠背在预印本网站上公开了闭环核钟的工作，分别独立构建出真正意义上的核钟原型。 [9][10]

虽然已经实现了快速吸收谱读出，但钍核跃迁本身的稳定性也是限制时钟精度的重要因素。钍核位于原子内部，其受环境影响要远远小于庞大的电子轨道，这给了核钟更高的稳定性。然而，作者指出，在氟化钙晶体中的钍原子可以形成不同的局部结构，部分谱线中心与此前测量存在差异，可能与晶体不同部位的钍浓度有关。公开审稿意见也追问了温度响应、不同晶体间的频率差异和长期稳定性。[8]未来核钟对温度波动、晶体批次的稳定性还需要进一步验证。

总结来说，快速的吸收谱读出为核钟的实现铺平了道路，但从实验室原型走向能与锶光钟同台竞技的下一代频率标尺，仍需攻克许多难关。 [1，9，10]

作者简介：

晨星，赛先生科学写作小组成员，物理学博士，一个尘世伴读小书童。

参考文献：

[1] Morawetz, I.; Schumm, T. 等. Continuous-wave laser absorption spectroscopy of the thorium-229 nucleus. Nature 657, 626–631 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41586-026-11011-7

[2] National Institute of Standards and Technology. How Do You Measure Your Location Using GPS?（GPS定位与原子钟计时原理）.

https://www.nist.gov/how-do-you-measure-it/how-do-you-measure-your-location-using-gps

[3] National Institute of Standards and Technology. Optical Ramsey fringes w/ shelving detection（钙离子跃迁的 shelving detection 实验说明）.

https://tf.nist.gov/ofm/calcium/shelve2.htm

[4] Kazakov, G. A. 等. Performance of a 229Th solid-state nuclear clock. New Journal of Physics 14, 083019 (2012).

https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/8/083019

[5] Lal, V. 等. Continuous-wave laser source at the 148 nm nuclear transition of Th-229. Optica 12, 1971–1974 (2025).

https://doi.org/10.1364/OPTICA.574489

[6] Tiedau, J. 等. Laser excitation of the Th-229 nucleus. Physical Review Letters 132, 182501 (2024).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.182501

[7] Kraemer, S. 等. Observation of the radiative decay of the 229Th nuclear clock isomer. Nature 617, 706–710 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05894-z

[8] Zhang, C. 等. A frequency ratio of the 229Th nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock. Nature 633, 63–68 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6

[9] Toscani De Col, L. 等. A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop. arXiv:2606.04997 (2026).

https://arxiv.org/abs/2606.04997

[10] Huang, B. 等. A nuclear clock based on 229Th. arXiv:2606.08870 (2026).

https://arxiv.org/abs/2606.08870

[11] Doyle, J. 等. Temperature sensitivity of a thorium-229 solid-state nuclear clock. Physical Review Letters 134, 113801 (2025).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.113801

[12] Morawetz, I. 等. Peer review file and author responses for “Continuous-wave laser absorption spectroscopy of the thorium-229 nucleus”.

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11011-7#MOESM1

配图均为出版社提供的独立原图，保留原图内容。署名：Morawetz et al., Nature (2026)。

图片许可 CC BY 4.0

文章转载自"赛先生"公众号