一台核钟连续运行超过一天
维也纳的一台原型核钟在无需人工干预的情况下，让激光与钍原子核保持同步超过24小时；与此同时，北京的一个独立团队展示了类似的时钟，使用功率更强的紫外激光，并仅用1.4微克钍-229培育出其中一块晶体。这两项成果于2026年10月7日发表于《自然》，标志着核钟从对一种前景广阔的原子核进行测量，迈向能够自行调节计时节奏的装置。
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由维也纳工业大学（TU Wien）的Thorsten Schumm和德国国家计量机构PTB的Ekkehard Peik领导的欧洲合作团队，在连续平均一天后，将频率不稳定度降至接近千万亿分之一。由清华大学Shiqian Ding领导的中国团队报告了更小的不稳定度系数；按论文所述的平均关系计算，其稳定性约高出6倍。
这两台原型机都还没有超越最优秀的光学原子钟。真正的突破在于，核跃迁如今已能提供反馈，从而控制一台实际运行的时钟。维也纳团队已利用这一能力搜寻超轻暗物质，虽然没有发现信号，但对一些假设的相互作用设定了限制。
在核钟公告中，维也纳工业大学介绍了一套系统：当钍原子的响应发生变化时，系统会自动校正激光频率。该校原子与亚原子物理研究所教授Schumm解释了核心目标：
真正需要的是一台能够自我稳定的核钟。
这一点将这些演示与早期实验区分开来。早期实验虽然激发了钍原子核或测量了其跃迁频率，但仍依赖外部时钟来稳定光线。
钍-229有何特别之处？
光学原子钟以电子能级之间的跃迁作为频率基准。核钟则把这一基准移到原子核内部，在那里，质子和中子可以处于不同的量子态。两种时钟都以光的规则振荡作为“滴答”，并由选定的跃迁将激光维持在正确频率上。
大多数核跃迁所需的能量远高于传统激光所能提供的能量。钍-229是目前已知唯一一种跃迁能由现有激光技术直接探测的原子核。它异常低的激发态称为同核异能态，能量比基态高约8.4电子伏特。这一能量对应波长接近148纳米的紫外光。
这种光属于真空紫外波段，难以产生和操控。如何在这一波长下产生频率足够稳定、范围足够窄的激光，是两个团队面临的核心工程挑战之一。
“核钟”并不意味着时钟由反应堆、裂变或聚变驱动。钍-229具有放射性，但它的衰变并非计时机制。核钟利用激光探测原子核内部的跃迁。
原子核比原子小一万多倍，并受到周围电子的一定屏蔽。它们通常对外部电场和磁场扰动的响应较弱，因此有望成为更稳定的频率基准。当前实验也表明，将原子核嵌入晶体并不能消除所有环境影响。
晶体如何校正激光
两个团队都将钍-229嵌入氟化钙晶体中，并用波长接近148.4纳米的连续激光照射。当光与选定的核跃迁相匹配时，原子核会吸收光。探测器测量透射光，使研究人员能够判断激光是否偏离了共振频率。
随后，电子反馈回路会调整激光频率，使其恢复到共振状态。原子核不再只是被测量的对象，它的响应会反过来调节产生时钟信号的振荡器。
由Luca Toscani de Col领衔的欧洲团队在维也纳核钟论文中介绍了快速反馈方案。该方案以吸收光谱为基础，所用晶体仅几毫米宽，并在室温下运行。独立的光学腔在短时间尺度上提供稳定性，而核跃迁则校正较长时间尺度上的漂移。
吸收测量至关重要，因为等待激发态原子核发光可能耗时很长。维也纳论文报告称，与荧光探测相比，吸收测量每秒可提供的信号光子数量约多1000倍。这使研究人员能够在短于激发态寿命的时间尺度上进行校正，并更快地搜寻跃迁变化。
两家实验室，不同的工程方案
欧洲合作团队成员来自德国、奥地利和捷克。北京团队由清华大学、北京量子信息科学研究院及中国各地的合作者组成。中国研究的作者名单由Beichen Huang领衔。
维也纳使用了钍浓度更高的晶体；北京则通过大幅提高激光功率来弥补同位素供应有限的问题。两种方案针对的是同一个难题：获得足够强的有效吸收信号，以判断激光偏离核共振频率的程度。
清华团队在核钟论文中介绍了一种光源：通过让激光场在镉蒸气中相互作用，产生10微瓦的紫外光，其中约5微瓦到达晶体表面。欧洲团队则采用了另一种非线性转换方法，使用四硼酸锶晶体。
北京团队改进后的氟化钙晶体由含有1.4微克钍-229、放射性活度为10千贝可的溶液培育而成。该活度衡量的是放射性衰变，而不是时钟“滴答”。论文称，同位素稀缺导致晶体生长几乎没有反复尝试和优化的余地。
清华大学物理学家Shiqian Ding表示，两项独立演示增强了人们对核钟概念的信心，证明它能在不同技术设计下实现：
我们独立开展工作，并在同一时期采用不同的实验方案，成功运行了钍-229核钟。我认为这非常令人鼓舞，因为它表明这一概念具有稳健性，并不依赖某一种特定的技术实现方式。
两个团队都计划改进各自的系统，并结合两种方案的经验。更多原子核和更多可用紫外光结合起来，或许能产生比单独采用其中任何一种优势更强的信号。
原型核钟有多精确？
维也纳论文报告的分数频率不稳定度为3 × 10^-12除以平均时间（秒）的平方根。中国论文按同样的比例关系报告了5 × 10^-13。前者除以后者等于6，这正是两台时钟稳定性对比的依据。
频率不稳定度描述的是时钟速率在测量期间的波动程度。通过平均可以减小随机波动。准确度则回答另一个问题：校正偏差后，测得的频率与正确值有多接近。重复性则关注再次实验或换用另一块晶体时，能否得到相同结果。
西班牙计量中心机械量与工程部主任Dolores del Campo Maldonado指出，中国核钟在短时间尺度上的稳定性更好，而奥地利实验与镱钟进行比较则是另一项优势。两者都不能证明自己在所有指标上优于最先进的原子钟。
不同报道对累计计时误差的换算并不一致。维也纳工业大学称，维也纳原型机的精度接近每3000万年误差1秒，对应精度约为10^-15。另一则报道则称，欧洲核钟约每300万年误差1秒，中国装置约每1900万年误差1秒。此前对中国实验结果的一种描述称，其一天平均后的不稳定度接近十万亿分之一，而最终论文报告称，在所测时间区间内，平均结果达到10^-15量级。
这些数字不应被视为可互换的绝对准确度保证。进行比较时，最稳妥的做法是依据已发表的不稳定度测量结果及其平均条件。目前，光学原子钟仍处于领先地位；据报告，其性能相当于数百亿年误差1秒，其中一例镱钟可达230亿年误差1秒。
晶体仍会影响结果
维也纳研究发现，不同日期的测量结果只能重复到约5 × 10^-13，差于连续运行期间达到的不稳定度。每次运行前都必须重新对准激光，这会使激光经过晶体中略有不同的区域。
对不同位置进行测量后，研究人员发现跃迁中心频率最多偏移1.7千赫。他们怀疑这是晶体结构不均匀导致的局部应变所致。在同一位置重复测量得到的结果具有可重复性，这支持了控制激光在材料中传播路径的必要性。
北京团队测试了两块独立制备的晶体。它们测得的跃迁频率相差约560赫兹，对应的分数差异为2.8 × 10^-13，不确定度为0.6 × 10^-13。考虑合成不确定度后，两块晶体的结果也都与美国JILA此前对其他氟化钙晶体的测量结果一致。
中国团队的装置控制了温度波动，并采用磁屏蔽。改进后的晶体可透过7%的紫外光，而旧晶体约为1%。再加上探测器调整和更强的吸收信号，这些改进大幅降低了测量噪声。
日本国家计量研究所的Akio Kawasaki指出，外部电场是时钟不确定度的重要来源。核跃迁具有抵御这类扰动的能力，但原型机的结果也说明，材料质量、温度控制以及对频率偏移的谨慎评估仍不可或缺。
没有探测到暗物质信号
维也纳团队借助稳定的光纤连接，将核钟与奥地利联邦计量与测量局的一台镱离子钟进行比较。实验在约23小时内搜寻两者频率比的周期性变化和缓慢漂移，探测的时间尺度从20秒到约一天。
一些理论预测，超轻暗物质可能引起基本常数的微小振荡。核跃迁与电子跃迁的响应会有所不同，因此对比两种时钟是一种有用的检验方式。实验没有发现统计显著的周期性信号，测得的缓慢漂移也与零相符。
没有发现信号，使团队得以限制暗物质与光子、强核力和夸克质量之间可能存在的相互作用。在光子相互作用方面，所得限制可与领先的同类原子钟相媲美。对于某些强核力和夸克相互作用，论文报告称，其灵敏度相比早期原子钟实验，在所测试的参数范围内提高了10至1000倍。
钍的优势来自其独特的能量平衡。电磁作用和核力的贡献大得多，但几乎相互抵消，最终只留下8.4电子伏特的低能跃迁。因此，这些贡献稍有变化，就可能引起时钟频率相对较大的变化。
海德堡马克斯·普朗克核物理研究所研究员José R. Crespo López-Urrutia估计，对于某些假设的暗物质效应，其灵敏度几乎可达到最优秀光学原子钟的1万倍。这描述的是对特定效应的潜在响应，并不意味着计时性能普遍提高，也不代表探测到了暗物质。他透露自己曾与部分作者团队合作过，但没有直接参与这些研究。
维也纳论文还提醒，由于一些核参数仍未知，目前尚无法准确计算具体的灵敏度系数。研究结果约束的是特定模型和相互作用，并非所有可能的暗物质形式。
运行中的核钟背后的里程碑
最新成果之前，研究人员多年致力于确认激发态的存在、确定其能量并研发合适的激光。Schumm表示，他的团队自2008年起便致力于研发核钟。Peik和Christian Tamm于2003年提出了钍核钟方案。
- 2016年：根据维也纳论文的历史回顾，研究人员通过钍同核异能态的衰变过程证明了它的存在。
- 2019年9月12日：维也纳工业大学介绍了两项改进跃迁认知的实验，当时尚未有可运行的时钟。
- 2024年4月：维也纳工业大学与PTB的合作团队利用激光直接驱动了钍核跃迁。
- 2024年秋季：研究人员将钍激发装置与传统光学原子钟连接起来。
- 2025年：连续紫外激光光源和吸收测量使研究人员得以持续探测这一跃迁。
- 2026年10月7日：两项发表于《自然》的研究报告了带有反馈功能的运行中核钟。
维也纳工业大学的2019年里程碑公告详细介绍了一项间接测量：研究人员使用铀-233衰变产生的钍离子，其中约2%处于激发态。让离子通过石墨烯后，它们会变为中性；随后发射电子的能量有助于确定核态的能量。
日本另有一项实验使用高强度同步辐射X射线，将原子核激发到能量高得多的状态；该状态随后主要衰变为目标同核异能态。这些工作是定位和测量跃迁的步骤，并非可运行时钟的演示。
quantA学术综述称，Schumm团队将跃迁能量测定到了小数点后12位，并利用高次谐波产生技术实现了紫外激发。综述将原型机建造描述为quantA卓越集群和欧洲研究理事会协同项目中的工程阶段。此次新的反馈演示推进到了比此前阶段更成熟的水平。
实际应用前还需改进什么？
当前的首要任务是增强激光功率和稳定性、改进探测器，并制备更纯净、更加均匀的晶体。维也纳团队需要提高不同运行批次之间的重复性。北京团队正在探索更好的基质材料，以及钍离子钟的可能性；钍离子钟能更充分地隔离原子核，但技术上更难实现。
不同报道给出的共振线宽也不相同。Peik提到测得的线宽为30千赫，而维也纳论文在分析时钟性能时采用约100千赫。中国论文报告的改进晶体中选定跃迁线宽为27千赫。这些测量不应被合并成一个统一的线宽。所有测量值都远宽于预期的自然核共振线宽，表明仍有改进空间。
潜在用途包括卫星导航、电信、同步数据传输和测绘。维也纳工业大学的2024年应用说明还介绍了利用引力对时钟速率的影响测量地球引力场，可能用于矿藏勘探和板块构造研究。该说明提到的地震预测仍属于设想中的应用，并非已经证实的能力。
西班牙计量中心物理学家Daniel de Mercado解释说，对跃迁进行精确测量，可以检验观测值是否偏离理论预测。这类差异可能指向未知相互作用。对于目前的原型机而言，这种研究用途比取代日常基础设施中的时钟更为现实。
del Campo认为，未来核钟的准确度有望超过10^-19，但她怀疑核钟能否赶在2030年可能重新定义“秒”之前产生影响。目前没有与这些演示相关的已确认部署期限，也没有计划用核钟取代现有时间标准。下一步是证明改进后的装置能够兼具低不稳定度、可重复的频率和充分明确的准确度。
要点
- 欧洲和中国的独立团队于2026年10月7日在《自然》报告了可运行的钍核钟。
- 两台时钟都利用含钍氟化钙晶体中的紫外吸收来校正激光频率。
- 维也纳原型机在无需人工干预的情况下运行了超过24小时。
- 据报告，中国核钟的不稳定度系数比欧洲核钟小6倍。
- 两台原型机都还没有超越最先进的光学原子钟。
- 维也纳团队的暗物质搜寻没有发现信号，但对若干理论相互作用设定了限制。
- 在实际部署前，晶体均匀性、激光功率和测量重复性仍是关键挑战。
