全球竞逐核钟技术突破，清华大学实现关键激光进展

物理学家们正在全球范围内竞相研发“核钟”，这种新型计时设备通过测量原子核内部的能量跃迁来计时，被认为可能成为地球上最精确的时钟。近日，清华大学的研究团队在核钟关键技术上取得了重大进展，成功实现了百纳瓦级激光功率输出。

数十年前，科学家们就预测同位素钍-229可以用于制造核钟，但其独特的原子核能量跃迁特性一直难以精确测定。2024年，研究人员首次利用激光成功激发这一跃迁，标志着核钟研制进入倒计时。

核钟技术的全球竞赛

目前，来自中国、欧洲、日本和美国的近十几个研究团队正在加紧研发核钟所需的各个组件，包括放射性钍-229的来源，以及用于激发核跃迁的高功率连续波紫外激光器。

在上周于科罗拉多州丹佛市举行的美国物理学会全球物理峰会上，研究人员展示了各自的进展。加州大学洛杉矶分校的物理学家埃里克·哈德森表示，核钟的问世“比人们想象的要近得多”，预计在2026年就能看到核钟的测量结果。

清华大学的突破性进展

在打造高功率紫外激光器方面，清华大学的研究团队上个月取得了令人瞩目的进展。他们在148.4纳米波长处实现了100纳瓦的功率输出。尽管这一进展获得了广泛赞誉，但在美国物理学会会议上，一些专家对该激光器的长期应用前景持保留态度，因为其需要将有毒的镉蒸气加热至550摄氏度。

“这对于商业应用来说是一项非常有前景的技术。”——加州大学伯克利分校量子科学执行主任克莱尔·克拉默

核钟的技术挑战与前景

核钟对噪声干扰具有更强的抵抗力，且设计紧凑，适用于实验室外的场景。其精度有望超越当前顶尖的光学原子钟，后者每4000亿年才误差一秒。

然而，要在实用的核钟中实现钍-229的核跃迁，科学家需要一台功率稳定、波长为148纳米的连续波紫外激光器，此类激光器尚未研制成功。另一种方法是利用特种晶体将光学激光的波长转换至148纳米。

“如果追求真正的超高精度，最终还得用离子阱实验。”——科罗拉多大学博尔德分校JILA研究所物理学家叶军

钍-229离子的捕获与稳定性

研究人员还在探索稳定的钍-229源。当前有两种主流方案：使用嵌入固态晶体中的数万亿个钍-229离子，或是在离子阱中捕获少量离子。晶体方案因使用大量钍-229离子而能提供更强的时钟信号，但受限于稳定性。稳定的核钟需要极窄的核跃迁线宽。

尽管使用晶体作为钍-229源可能无法提供核钟所需的足够精度，但研究人员也在追求离子阱方案，即将钍-229离子冷却并悬浮在微开尔文的超低温度环境中。目前，尚无团队成功实现钍-229的离子阱捕获，但与会研究人员表示，这只是一个时间问题。

未来展望

核钟的研发代表了计时技术的一个重要突破，其潜在应用范围广泛，包括更精确的导航系统和更稳定的通信网络。随着各国研究团队不断推进技术进展，核钟的商业化应用或许将在不久的将来成为现实。