核钟研究突破：钍-229信号读出速度提升百倍

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。

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

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]

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]

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。