从古老的日晷、摆钟到石英钟，再到当今最先进的光学原子钟，人类计时的精度已经达到了每 400 亿年仅误差一秒的惊人水平。而在人类追求精准计时的历史上，每一项重大突破都伴随着我们对微观物理世界认知的深化。

物理学家并未止步于此。在经历了数十年的理论预测与实验探索后，一种基于原子核能级跃迁的全新计时设备——“核时钟”（Nuclear Clock），正悄然走向现实。它比当前顶级的光学原子钟更为稳定、紧凑且抗干扰，有望成为地球上最精确的计时仪器。2026 年 3 月，在美国物理学会全球物理峰会上，来自中美欧日等地的研究团队分享了最新进展：核时钟组装已经进入最后阶段，计时精度的新巅峰即将到来。

从原子到原子核：计时的范式转移

此前，光学原子钟的计时功能来自原子核外电子在不同能级之间的跳跃。这种跳跃受激光驱动，频率极高，每秒可达数万亿次。然而，由于电子处于原子的外层，它们极易受到环境电磁场的干扰，这限制了时钟在实验室外的稳定性与精度。

相比之下，核时钟的计时原理则来自原子核内部。原子核的质量和电荷分布决定了其能级状态。核时钟通过测量原子核在基态与激发态（异构体状态）之间的能量跃迁来计时。由于原子核的体积极小，仅为原子的万分之一，且被密集的电子云包围，其受环境噪声（如温度波动、电磁干扰）的影响微乎其微，因此也能容纳远多于光学晶格原子钟的发射体，只需相对简单的热控（约 -77 °C）即可实现场部署型紧凑时钟设计。

长期以来，核跃迁所需的能量通常极高，处于伽马射线波段，超出了现有激光技术的控制范围。而钍-229（229Th）是一个罕见的例外。早在几十年前，科学家就预测，该同位素拥有一个极低能量的核跃迁，理论上可以由真空紫外（VUV）波段的激光驱动，可用于核钟。但受限于实验条件，无法精确定位该跃迁。

2024 年，这一长期难题终于被攻克，美国科罗拉多大学 JILA 研究所的叶军（Jun Ye）和加州理工学院的张传坤（Chuankun Zhang）领导的研究小组，利用频率梳技术——一种包含约 3,000 万种频率的激光——首次精确确定了钍-229 的跃迁频率，正式吹响核时钟研制的冲锋号。

（Ye Labs/JILA/NIST/University of Colorado）

连续波深紫外激光器的问世

此外，要将这一跃迁转化为实用核时钟，就要实现核时钟的相干控制，关键在于研发出一种频率极稳、线宽极窄且功率足够的连续波（CW）真空紫外激光器，其波长需接近 148nm。

在这一领域，清华大学丁世谦团队对激光光源的突破是近期最引人注目的进展之一。2026 年 2 月发表于《自然》（Nature）的研究中，他们利用镉蒸汽中的四波混频（FWM）非线性效应，实现了 148.4nm 波长的连续波激光，输出功率超过 100 纳瓦。

更具应用意义的是，该激光器的预计线宽远低于 100 Hz，比之前所有 190nm 以下单频真空紫外激光器的线宽改善了五个数量级。研究团队还开发了一种空间分辨的零差技术，对 FWM 诱导的相位噪声进行了严格上限约束，证实亚赫兹线宽在原理上是可行的。

（DOI：10.1038/s41586-026-10107-4）

这一突破解决了核时钟研制中最核心的技术壁垒，为核跃迁的相干操纵和高分辨率光谱研究提供了可能。尽管这一进展备受赞誉，但部分研究者在峰会上指出，其长期稳定性仍面临挑战，而且，该方案需将有毒镉蒸气加热至 550 °C。

与此同时，叶军团队也在尝试通过特定的晶体（如四硼酸锶晶体）将光学激光的波长转换至 148nm。初步测试显示，该方法可提供近乎稳定的 40 微瓦功率，具备商业应用潜力。其团队正与总部位于马萨诸塞州马尔伯勒的 IPG Photonics 公司合作，后者已为生长特种四硼酸锶晶体的方法申请了专利。UCLA 物理学家埃里克·哈德森（Eric Hudson）表示，“这只是一个此前无人需要解决的技术难题，现在我们即将解决它。”

固体核时钟的开发瓶颈和未来方向

在确定了激发光源后，如何稳定地承载钍-229 原子核成为了另一项挑战。目前主流的方案有两种，一种是固体方案，即将数万亿个钍-229 离子嵌入固体晶体中；另一种是将少量离子捕获在离子阱内。其中，由于参与跃迁的原子核数量庞大，固体方案能产生极强的信号，且设备体积更小、易于部署。

然而，其稳定性受限于跃迁线宽，精度目前仍逊色于光学原子钟。维也纳理工大学托尔斯滕·舒姆（Thorsten Schumm）团队与叶军团队利用嵌入钍-229 的氟化钙（CaF₂）晶体开展实验，深入探讨了这种“固体核时钟”的频率复现性。

结果显示，目前实现的信号线宽约为 30 kHz，不足以满足稳定钟的要求。研究者怀疑是晶体中杂质所致。不过，通过探索其他晶体和更易制备、杂质更少的薄晶膜，有望进一步缩小线宽、提升性能。其中，曾用于相机镜头的放射性涂层四氟化钍或氧化钍都是备选材料。

对于追求极致精度的科学实验，超低温离子阱方案仍被视为终极目标，这项技术需将钍-229 离子冷却至微开尔文级并悬浮。叶军指出：“若想实现真正高精度的核时钟，就必须采用捕获离子实验。”可惜这一方案目前尚未在实验室中实现。

图 | 叶军（Ye Labs）

当然，核时钟的意义远不止于提供更准确的时间。由于其跃迁机制涉及原子核内部的强相互作用力与弱相互作用力，它对物理常数随时间的演变异常敏感。这意味着，核时钟可以作为一种极度灵敏的探测器，用于寻找暗物质或验证基础物理定律的稳定性。此外，由于核时钟的结构相对简单、坚固且抗干扰能力强，可脱离实验室环境使用，在深空导航、地质灾害预警以及商业量子通信等领域具有广阔的落地前景。

物理学家埃里克乐观地预测，2026 年将是核时钟迈入实测阶段的关键之年。中国、欧洲、日本和美国等地的十余个研究团队正在紧锣密鼓地组装核时钟所需组件，人类记录时间的精度或将再次迎来量级的跃升。

参考

1.https://www.nature.com/articles/d41586-026-00848-7

2.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09999-5

3.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10107-4

4.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6

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