两块晶体将核信号转化为可运行的时钟
奥地利和中国的研究团队分别展示了可运行的核钟。这些核钟利用嵌入氟化钙晶体中的钍-229来控制激光的节律。两篇论文于2026年10月7日发表在《自然》上，介绍了迈向更稳定计时的一项进展，以及一项直接应用：检验暗物质理论。
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维也纳的实验在一天的时间内，分数频率不稳定度接近10的负15次方，这一水平通常表述为约3000万年误差1秒。中国的实验在其测量时段内也达到了10的负15次方量级。两者的表现仍不及最先进的光学原子钟。
这项进展的关键在于，原子核现在能够持续帮助校正激光。早期实验已经定位并测量了钍的跃迁。如今的系统将这一测量转化为反馈回路，让核信号能够调控实际运行的时钟。
维也纳工业大学的托尔斯滕·舒姆领导奥地利团队，并与德国国家计量研究机构——位于不伦瑞克的联邦物理技术研究院（PTB）——埃克哈德·佩克团队合作。丁世谦领导中国团队，参与机构包括清华大学，以及在上海制备晶体的合作方。
《自然》于10月8日发布的研究公告将两篇论文并列介绍，称其为首批基于钍-229原子核的可运行时钟。两项成果采用了不同的激光光源、探测器和晶体设计，为研究人员开发这项技术提供了两条切实可行的路径。
核钟有何不同？
传统原子钟利用原子电子在不同能态之间跃迁。自1967年以来，国际秒的定义一直基于铯-133的微波跃迁，对应每秒约92亿个周期。光学原子钟利用频率高得多的跃迁。
核钟将参照对象转移到原子微小的中心区域，即由质子和中子构成的原子核。频率恰当的光可以使钍-229原子核跃迁到稍高的能态。研究人员利用这种界限分明的响应，让激光保持稳定频率运行。
钍-229不同寻常之处在于，这种跃迁所需能量仅约为8.4电子伏特，可以用波长接近148纳米的光来实现。大多数核跃迁所需的能量远高于普通精密激光器所能提供的范围。这种特殊跃迁位于真空紫外波段，超出人们熟悉的阳光紫外线范围。
与电子相比，原子核与许多外界干扰的相互作用较弱，因此有望提供更可靠的参照。不过，在晶体中，周围材料仍会影响测得的频率，因此晶体质量和环境控制是关键的工程任务。
关键一步是自动校正
激光会因周围环境变化而发生漂移。两个团队都利用钍原子核检测这种漂移，并将校正信号反馈给激光。这个过程类似恒温器：测量与设定值之间的差异，再调节系统使其恢复到目标状态。
当激光频率与原子核跃迁频率一致时，原子核对光的吸收最强。通过测量穿过晶体的光发生的变化，研究人员可以确定激光偏离目标频率的程度。
维也纳工业大学原子与亚原子物理研究所教授舒姆在该校的实验公告中解释了这一原理：
基本思路很简单：有一台激光器，也有钍。激光改变钍原子核的能态，而钍原子核则用于稳定激光的频率。
测量吸收也能更快地获得校正信号，无需等待受激原子核发出光。中国团队测得受激态寿命为631秒，约10.5分钟。吸收测量使反馈系统能够在这些原子核仍处于受激态时作出响应。
维也纳的时钟连续运行一天，无需人工干预
奥地利团队的反馈回路研究介绍了一种在148纳米附近运行的连续激光，以及一块仅有几毫米宽的晶体。晶体保持在接近室温的环境中，温度约为294.7开尔文，即21.6摄氏度。
团队利用涉及四硼酸锶晶体的频率转换来产生紫外光。钍晶体后方的探测器对透射光子计数，提供用于校正激光的吸收信号。
维也纳工业大学表示，原型设备连续运行了24小时以上，无需人工干预。为评估其性能，研究人员将其与一台基于单个镱离子的时钟进行比较，参考信号则通过光纤连接由奥地利联邦计量与测绘局提供。
比较结果显示，分数频率不稳定度可表示为3 × 10⁻¹²除以以秒为单位的平均时间的平方根。通俗地说，随着研究人员对更多测量结果取平均，随机波动会逐渐减小，一天内接近10⁻¹⁵的水平。
该设备可持续利用钍原子核提供的频率校正，同时以原子钟作为外部基准来评估性能。这种组合使研究人员既能考察时钟运行的稳定性，也能研究其核参照与电子参照有何不同。
中国团队采用更亮的激光并改进晶体
中国团队的同步时钟研究介绍了另一种产生148.4纳米光的光源。研究人员在加热至600摄氏度的镉蒸气中叠加激光场，产生了10微瓦的连续紫外辐射。
约5微瓦的光到达钍晶体前端。尽管这一功率与家用照明相比微不足道，但要在这一波长下产生稳定且频率范围狭窄的光，技术要求很高。
团队还改进了对微弱核吸收信号的探测方式。直接测量电流的光电管能够接收比早期光电倍增管配置更多的透射光。探测到的光子越多，判断如何校正激光所需的信号就越清晰。
材料研发也带来了另一项提升。第一块晶体S1由上海光学精密机械研究所生长。第二块晶体TS1则由中国科学院上海硅酸盐研究所与清华大学合作制备。TS1的紫外光透过率为7%，而S1约为1%。
TS1由一种生长溶液制成，其中仅含1.4微克钍-229。由于这种同位素十分稀少，可用于反复优化生长工艺的材料所剩无几。最终制成的晶体没有S1中存在的气泡，并提供了更强的吸收信号。
经过进一步调整，中国团队的时钟达到5 × 10⁻¹³除以以秒为单位的平均时间的平方根的不稳定度。其数值系数比维也纳的3 × 10⁻¹²小六倍。两支团队在各自的装置中测量性能，采用了不同的参照和运行条件。
3000万年误差1秒意味着什么
将约10⁻¹⁵的分数频率差表示为累积计时差，就得到了引人注目的时间比较。若这种偏差保持不变，累积到1秒误差大约需要3000万年。
实验测量了时钟在持续数小时或约一天的实验室运行期间的表现。稳定性描述的是随着测量累积，频率波动的大小。准确度则是指在考虑各种频移效应后，实际频率与目标值有多接近。
可重复性也是一项实际要求：时钟重启后需要回到相同频率，而另一台采用不同晶体制造的设备也需要有明确的参照频率。
维也纳团队在不同日期进行的测量显示，频率的复现差异约为5 × 10⁻¹³，高于连续运行期间通过平均测量所达到的波动水平。研究人员认为，这一问题与重新对准后激光在晶体中的传播路径发生细微变化有关。
中国团队测得其独立制备的晶体之间频率相差约560赫兹。相对于约2020万亿赫兹的跃迁频率，这一差异为2.8 × 10⁻¹³。这些测量为材料科学家提供了一个明确的改进目标。
时钟也能用于暗物质实验
维也纳团队还比较了钍和镱的频率，以寻找超轻暗物质可能产生的影响。暗物质是一种看不见的物质，人们根据其引力效应推断它的存在；一些理论认为，极轻粒子可能会微妙地改变支配普通物质的物理量。
这些变化可能使两种时钟产生不同响应。钍的跃迁能量异常小，是因为大得多的电磁能量贡献和核能量贡献几乎相互抵消。因此，这些贡献只要稍有变化，就可能导致跃迁频率相对较大的改变。
研究人员搜索了时间尺度约为20秒至一天的周期性变化和缓慢漂移。没有周期性信号超过其探测阈值。他们利用测量结果，对暗物质模型提出的相互作用强度设定了上限。
对于涉及光子的相互作用，这些上限与同类领先原子钟实验的结果相当。对于一些涉及强核力和夸克的相互作用，分析达到的灵敏度比此前的原子钟实验高出10至1000倍。
确切的灵敏度取决于目前尚无法精确计算的核性质。即便按目前的计时性能，核钟也能让研究人员探测到不同于电子钟的物理响应，因此这种比较对基础物理研究颇有价值。
数十年的研究如何走到今天
这些可运行时钟建立在一项长期研究之上，研究人员需要先足够精确地确定钍的跃迁，才能用激光激发它。每个阶段都降低了不确定性，或补上了实验装置缺少的环节。
- 1976年：伽马射线光谱研究开启了这一研究历程，并逐步缩小了钍-229低能激发态能量的测量范围。
- 2003年：埃克哈德·佩克和克里斯蒂安·塔姆提出将这一跃迁用作核钟的参照。
- 2016年：研究人员通过测量衰变，确认了这一激发态的存在。
- 2024年4月：维也纳工业大学与PTB合作团队展示了对钍核跃迁的激光激发。
- 2024年9月：以JILA为核心的团队利用光学频率梳和锶原子钟，将跃迁频率测量到12位有效数字。
- 2025年：连续紫外激光技术取得进展，使快速吸收测量成为可能。
- 2026年10月7日：奥地利和中国团队发表论文，介绍了激光能够从核跃迁获得反馈的可运行时钟。
2026年的决定性进展，是将光源、晶体、探测器和自动校正系统整合为一个可运行的频率基准。两个团队都以早期光谱研究为基础，并通过不同的实验设计解决了控制问题。
下一步是改进光源和材料
维也纳实验发现，在同一块晶体的不同位置进行激光探测时，频率差异最高约为1.7千赫兹。研究人员怀疑这与结构差异造成的内部应变不均有关。让激光束始终照射同一体积、使钍分布更均匀并改进晶体生长工艺，都可能提高频率的可重复性。
维也纳装置测得的共振线宽约为100千赫兹，中国团队的时钟在TS1晶体上测得的跃迁线宽为27千赫兹。共振线越窄，越容易辨别微小的频移，不过可用光强和探测器噪声也会影响性能。
中国团队控制了晶体温度，并使用磁屏蔽来减少干扰。测量显示，温度波动三千分之一摄氏度会对应约6赫兹的频率波动，说明即使采用核参照，环境工程仍然十分重要。
舒姆的团队预计，进一步研发有望将稳定性提升约四个数量级，即提高1万倍。更强的紫外激光器和性能更好的钍晶体都是计划中的改进方向。目前尚未公布达到这一性能的时间表。
原子钟已用于卫星定位、通信和精确时间戳。这项研究眼下取得的成果，是一种新的实验室参照，以及可用于物理实验的运行工具。要扩大应用，实际需要做的是制备一致性更好的晶体、提高运行稳定性，并更好地控制频移。
要点
- 奥地利和中国团队于2026年10月7日分别发表了可运行钍-229核钟的实验成果。
- 两种时钟都利用氟化钙晶体中的核吸收，自动校正激光频率。
- 实验达到约10⁻¹⁵的频率不稳定度，但最先进的光学原子钟表现仍然更好。
- 维也纳时钟连续运行一天以上，无需人工干预，并为假设的超轻暗物质相互作用设定了上限。
- 中国团队通过采用更亮的紫外光源、不同的探测器和透光性更好的晶体改进了性能。
- 更强的激光和更均匀的晶体是提高稳定性与可重复性的关键。
