新京报记者获悉，清华大学物理系丁世谦团队日前将自主研制的激光频率稳定锁定至核跃迁，在国际上率先实现钍-229核光钟运行。10月7日，相关成果以“锁定至钍-229的核钟”为题在线发表于Nature。
核光钟的研制成功，是本世纪以来量子精密测量领域最重要的突破之一。清华大学表示，团队成功研制148纳米连续波激光，并基于此率先实现核光钟运行，建立了从核心光源、核钟晶体、核跃迁光谱到闭环运行的完整技术体系，这一系列突破是我国科学界具有标志性意义的重大原创性成果。
丁世谦给团队成员示范实操。清华大学供图
核光钟是国际竞争重要前沿
核光钟有望成为继原子微波钟和原子光钟之后的新一代时间频率标准，是当前量子精密测量领域国际竞争的重要前沿。
丁世谦指出，当前，原子光钟和原子微波钟利用原子中的电子跃迁，分别提供了最精确和最实用的时间计量。核光钟则利用钍-229原子核内部跃迁作为频率参考。由于原子核尺度远小于原子尺度，核跃迁受部分外界电磁环境扰动的影响更小，因而原理上有望提供比原子光钟更高精度的时间频率基准。
“核光钟跟原子光钟的区别在于频率参考，核光钟不再参考电子振荡频率，而是参考原子核的跃迁频率。由于原子核尺度远小于原子尺度，且存在外层电子屏蔽，因此受外界电磁环境扰动的影响更小，它的跃迁频率要更加稳定因而核光钟原理上有望提供更高精度的时间频率基准。”丁世谦说。
据介绍，固态核光钟具有潜在的小型化和工程化优势，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。
此外，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。
据悉，该论文的通讯作者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、中国科学院上海硅酸盐研究所研究员苏良碧、中国科学院上海光学精密机械研究所研究员杭寅和北京量子信息科学研究院博士后卜文浩。
突破光源、核素限制等瓶颈实现国际领先
此前，国际同行利用脉冲激光实现钍-229核跃迁的直接激发和测量，其跃迁能量约为8.4电子伏特，对应148纳米的真空紫外波长。但缺乏这个波长的连续波激光是制约核光钟研制的核心瓶颈。“激光很重要。在此之前都是使用脉冲激光，但我们第一次研制出了连续波激光。”丁世谦介绍。
据悉，丁世谦团队在国际上首次研制出148纳米连续波真空紫外激光，解决了精确驱动钍-229核跃迁的核心光源难题。团队自主发展的激光频率转换方法，在获得所需的短波长激光的同时未引入可观测的相位噪声，为核光钟研制奠定了核心技术基础。
解决光源之后，另一项关键挑战来自钍-229本身。丁世谦告诉记者，钍-229极其稀缺，我国相关核素获取渠道受到国外严格限制。面对这一关键战略资源的制约，在多方协同攻关下，团队开展微量钍-229掺杂小晶体研制，在没有试错空间的条件下，使用仅有的1.4微克钍-229一次性成功生长出毫米尺度的高质量掺钍氟化钙晶体，单次生长所用核素仅约为同期欧洲团队的二百分之一。
有了连续波148纳米真空紫外激光和掺钍-229氟化钙晶体，团队进一步开展核跃迁精密光谱测量，获得高分辨率核跃迁吸收光谱，并实现快速吸收读出，从中选择兼具窄线宽和弱温度敏感性的核跃迁谱线作为核钟的频率参考，最终实现从测量核跃迁到用核跃迁计时的关键跨越。
依托该晶体和此前开发的148纳米连续波激光的性能优势，我国团队实现的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队接近一个数量级，以极少的战略核素资源实现了国际领先的核光钟性能。
据介绍，核光钟的实现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。
新京报记者 冯琪
编辑 缪晨霞 校对 王心
