你有莫得思过电视剧主妇的反击，宇宙上最准的钟，可能藏在比头发丝还要细数百亿倍的场所？
从日晷到机械钟，从石英表到原子钟，东谈主类对时期的追求从未停歇。今天动身点进的光学原子钟，精度还是高到惊东谈主。
清华大学物理系丁世谦真诚曾用一个极其活泼的譬如来阐发这种精度：“测量地球到太阳往复 30 次的距离，谬误不高出一根头发丝直径的 1%。”时期越准，东谈主类丈量宇宙的尺子就越细。
但就在通盘东谈主认为原子钟还是是“极端”的时候，科学家问了一个更猖獗的问题——要是把钟表的“表芯”，从电子换成原子核，会怎样样？
这个问题，开启了长达数十年的追赶，也埋下了一颗让全宇宙卡壳快要二十年的钉子。
设施略核钟的出生，得先说说今天的原子钟为什么还不够好。
原子钟的计时旨趣，是运用原子外层电子在不同能级之间跨越时，发出或接纳的光的频率来“数时期”。这个频率极其雄厚，比任何机械结构皆精准得多。但问题在于，电子在原子的最外层，披露在外界环境里。温度波动、电磁场干豫、原子之间的碰撞……每一种扰动皆会让电子的跨越频率产生渺小偏差，积聚下来，就成了原子钟的精度瓶颈。
正如丁世谦所指出的：“现存的原子光钟依赖电子跃迁，对外界电磁环境较为明锐，且依赖超高真空、激光冷却与囚禁等复杂本质安设。”
科学家于是思到，有莫得一个更“稳”的场所不错藏一把钟？谜底指向了原子核的里面。原子核深藏在电子云的层层保护之中，外界的电磁场、温度、碰撞，很难直战役动它。
这，即是“核钟”的构思——以核跃迁替代电子跃迁，兼具极高精度、强抗环境扰动才略，以及便携可工程化的后劲。
核钟的真谛，也远不啻计时自己。它不错变成一把极其聪慧的“物理探针”，历练物理学最基本的常数是否随时期发生渺小漂移，寻找暗物资留住的细微信号，致使为翌日深空探伤器提供不依赖大地校准、统统自主的时期基石。果真精密的钟，不仅仅用来报时的，更是用来追问当然端正是否恒久不变的。
构思令东谈主粗莽，但问题是，怎样才调让核钟“走起来”？
要让核钟计时，旨趣并不复杂，设施即是用一束激光去“敲”原子核，让它在两个能级之间来回跨越，再把这个跨越频率看成“秒针”就行了。
绝大渊博原子核的能级跃迁，需要 X 射线致使伽马射线量级的能量，远远超出普通激光玩忽袒护的范围，但元素周期内外有一个陌生的例外——钍-229。
钍-229 有一个极其特殊的性质，它的狡猾核同质异能态，跃迁能量特殊地低，约 8.4 电子伏特，对应波长约莫 148.4 纳米，落在“真空紫外”波段。这是东谈主类已知的通盘原子核中，惟逐个个跃迁能量低到激光有契机直战役达的候选体系。
这个发现，在物理学界激励了浩大的欢喜。核钟，有门了，蓄意就在 148.4 纳米。但接下来十多年，全宇宙的本质室却皆卡在了归拢个场所：那束 148.4 纳米的激光，怎样造？
勤恳一层叠着一层。
领先，这个波长的光在空气中会被锋利接纳，系数光路必须放进真空环境；其次，普通光学材猜测了这个波段，要么接纳太强，要么色散严重，压根无法使用；更关键的是，传统的频率调养晶体——物理学家习用的“变光”器用——到了真空紫外波段，会同期碰到材料接纳和相位匹配失效的双重逆境。
更要命的是，科学家需要的不仅仅“能发出少量 148.4 纳米光”的决策。核钟计议操控对光源的要求极为苛刻：波长要对，线宽要窄电视剧主妇的反击，相位要稳，功率还要豪阔蚁集。任何一项不达标，这束光皆只可远远地“照到”子核，却无法果真让核钟“走起来”。
好意思国本质天体物理补救计划所（JILA）、德国物理期间计划院（PTB）、日本理化学计划所……各人顶尖团队勇往直前地攻关，却长久无法同期得意这几个条款。
这颗钉子，就这么横在核钟的门口，卡了快要二十年。
就在这场拉锯战堕入僵局的时候，来自中国的计划团队提议了一个通俗却斗胆的追问：要是晶体自己还是很难走通，布洛芬片的功效与作用为什么还一定要用它？因此，他们把眼神投向了一种统统不同的介质——镉蒸气。
这个采选，乍看之下让东谈主猜忌。镉蒸气的职责温度高达 550 摄氏度，原子在高温中剧烈热通顺、普通碰撞。这么的纷乱环境，怎样可能产生一束精真金不怕火的激光呢？
但团队的判断是，镉原子的能级结构有一种特殊性质，使它玩忽在“四波混频”经过中充任极为高效的“增效器”。
计划团队把约 375 纳米的紫外光和约 710 纳米的红光同期送入高温镉蒸气。入射光投入镉蒸气后，在镉原子的匡助下发生了一次特殊的“混杂”。混杂之后，新的光出现了——它的波长恰是 148.4 纳米，也即是核钟最需要的真空紫外光。这里的“混杂”，背后有一条严格的章程：新光的频率 = 2 × 紫外光的频率 + 红光的频率。
要绝顶沉静的是，章程中说的是“频率”相加，不是“波长”相加。频率不错泄漏为光振动的快慢。频率越高，光子的能量越高。因此，两份紫外光频率和一份红光频率把各自的“能量份额”凑在通盘，最终合成了一束能量更高、波长更短的真空紫外光。
四波混频让不同颜料的光按照物理端正重新列队，这即是为什么计划团队莫得连接“死磕”传统晶体，而是采选了高温镉蒸气。
然而，一个新问题随即出现了：镉蒸气温度高达 550 摄氏度，里面的原子皆在剧烈通顺。原子一通顺，就会产生多普勒效应。就像救护车当面驶来时声息会变尖、远隔时声息会变低相似，通顺中的镉原子“看到”的激光频率，也会发生偏移。要是每个原子“看到”的频率皆不相似，那重生成的真空紫外光会不会也被拉得手忙脚乱，变成一束“不纯”的光？
为了弄清真相，团队瞎想了一个优雅的考证本质。
他们把基频激光分红两路，分离送入两台统统独处的镉蒸气炉，各自产生一束 148.4 纳米的真空紫外光，再让两束光以渺小夹角肖似。要是两束光的相位豪阔雄厚，肖似处就会出现显著的空间插手条纹，就像两列水波再见时酿成的悠扬图案。
条纹出现了，何况历久显著雄厚。
这阐发两束光之间的相位相干豪阔雄厚，四波混频经过自己险些莫得引入特地的相位噪声。高温镉蒸气的“纷乱”，并莫得把光的计议性碎裂掉。
最终测量数据自大，四波混频经过特地引入的高频相位噪声极低，对应的单束真空紫外光等效线宽上界仅为 0.08 赫兹。约 97% 的光功率蚁集在 1 赫兹的极窄带宽内。
输出功率高出 100 纳瓦，调谐范围袒护 146.97 到 153.7 纳米，证据模子展望，该决策有望进一步拓展到 140 至 175 纳米。
关于 100 纳瓦的真空紫外光，要是聚焦到约 2 微米直径的光斑，还是足以得意不雅测核拉比飞舞所需的条款。
这意味着，科学家不再只可远远地“看一眼”，他们不错开动邃密地操控钍-229 的原子核了。核钟，从表面上的构思，走到了精密测量的门槛。
这项适度发表于《当然》（Nature）杂志。但它的真谛，并莫得留步于核钟自己。这束宽调谐、窄线宽的相连波真空紫外激光，同期大开了几扇此前封锁的大门。
第一扇，是更精准的时钟。这套光源可进一步拓展到 167.1 纳米，直指铝离子光钟——当今宇宙上最精密的光钟体系之一。以前，铝离子的激光冷却和情状读取需要依赖“量子逻辑谱”等复杂的转折决策，好比你思看清一册书，却只可靠别东谈主转述。有了这束高计议真空紫外光，科学家将有望径直进行激光冷却和探伤，让顶级光钟系统变得更通俗、更精准。
第二扇，是材料科学的“超高清眼镜”。角分辨光电子能谱是计划高温超导体、拓扑材料的中枢利器，能径直“拍摄”材料里面电子的举止。这束真空紫外光极低的线宽，意味着它在能量上“看得更清”，有望让科学家分辨出那些被原先噪声和谱宽消灭的邃密电子结构。
第三扇，是分子科学里的“指纹武断”。高分辨真空紫外谱学不错捕捉分子、团簇乃至化学响应中间体的“指纹”，匡助化学家看清响应旅途的每一个细节。而该平台表面上可袒护 140 至 175 纳米的宽调谐范围，意味着它能波及更多此前难以计划的原子分子体系。
结语
二十年前，148.4 纳米的光，还仅仅教科书上的一个空缺。全宇宙最顶尖的本质室规律脱手，却长久无法同期得意那几个苛刻的条款。那颗卡住核钟的钉子，就这么横亘了快要二十年。
如今，它被拔掉了。从中国的本质室里射出的这束光，波长 148.4 纳米，相连输出，线宽极窄，相位雄厚。
在量子科技的大河山中，中国还是在量子守秘通讯、量子谋略等标的执续股东；而这一次，量子精密测量也用这束光，给出了显著而有劲的恢复。
那束也曾卡住核钟的光，今天还是不再仅仅愿景。
参考文件
[1] Xiao Q， Penyazkov G， Li X， et al. Continuous-wave narrow-linewidth vacuum ultraviolet laser source[J]. Nature， 2026: 1-5.
[2] Kraemer S， Moens J， Athanasakis-Kaklamanakis M， et al. Observation of the radiative decay of the 229Th nuclear clock isomer[J]. Nature， 2023， 617(7962): 706-710.
[3] Tiedau J， Okhapkin M V， Zhang K， et al. Laser excitation of the Th-229 nucleus[J]. Physical Review Letters， 2024， 132(18): 182501.
[4] Zhang C， Ooi T， Higgins J S， et al. Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock[J]. Nature， 2024， 633(8028): 63-70.
运筹帷幄制作
作家丨栾春阳 清华大学物理系
王雨桐 清华大学物理系
审核丨袁岚峰 中国科学期间大学副计划员 中国科学期间大学科技传播系副主任 中国科协科普计划员
运筹帷幄丨何雨濛
