本科生Nature一作！清华师生攻克核光钟核心瓶颈|原子核|本科生|核光钟|清华大学|物理系|量子

核光钟

是一种通过真空紫外激光

诱导钍-229原子核跃迁

并利用频率梳技术

计数激光电磁振荡周期

来计量时间的新型时钟系统

理论上，其测量精度能达10⁻¹⁹以上

在3000亿年的时间尺度上

误差不会超过1秒

核光钟不仅能为基础物理研究提供关键工具

未来还有望产生便携式、可工程化的固体光钟

从而在导航定位、深空探测、地质监测

等多个领域发挥重要作用

因此成为国际前沿科技竞争的战略性方向

研制核光钟的道路上的一个核心瓶颈

是无法研制出能激发核跃迁的连续波激光光源

清华大学物理系丁世谦副教授团队

成功研制出

148nm连续波超窄线宽激光光源

攻克了核光钟研制的

“最后一道核心瓶颈”

并将超稳激光技术推进至真空紫外波段

相关研究成果于北京时间2月12日

以《连续波窄线宽真空紫外激光光源》

(Continuous-wave narrow-linewidth vacuum ultraviolet laser source)为题

在线发表于《自然》（Nature）

美国物理学会（APS）旗下Physics杂志（

Physics Magazine

同期在Viewpoint栏目

刊发评论文章专题解读

攻克最后瓶颈，让核光钟走向现实

当前世界上最精确的计时系统是原子光钟

目前最高精度的原子光钟

在600亿年的时间尺度上

误差不会超过1秒

但其依赖的原子外部的电子跃迁过程

容易受到外界电磁场、温度变化等因素干扰

至今难以脱离实验室环境

极大限制了其实际应用

在此背景下

科学家将目光转向了原子核内部

原子核内部能级之间的跃迁

频率更高、受外界环境影响小

据此研制出的核光钟

具有更高精度和稳定度

更具备走出实验室、便携化部署的潜力

钍-229是目前已知的唯一

可用激光相干操控实现核跃迁的原子核

若以特定激光激发其核跃迁

则可以造出世界上第一台核光钟

因此，符合要求的特定激光

成为造出核光钟的最后一道瓶颈

核光钟原理概览图

清华大学物理系丁世谦副教授团队

研制出的连续波窄线宽真空紫外激光

将为钍-229核跃迁的高分辨谱学

与量子相干操控提供关键光源支撑

让核光钟研制从理论走向现实

丁世谦（前排）团队在取得突破之后合影留念

颠覆性发现，实验成果突破传统认知

传统路线通常依赖非线性晶体频率转换

但在更短波长的真空紫外区域

可用材料与器件工艺长期受限

研究团队创新性地使用四波混频技术

选定镉蒸气作为非线性介质

成功研制出148nm连续波窄线宽真空紫外激光

目标波段输出功率超过100nW

且在140至175nm区间具备连续可调谐能力

与之前的单频真空紫外光源相比

线宽降低了近百万倍

左：钍-229同质异能态跃迁附近非线性极化率和相位匹配函数

右：钍-229同质异能态跃迁附近真空紫外激光输出功率

团队还有一个惊喜的发现

此前学界普遍认为

用于产生激光的热金属蒸气中

气体原子的高速运动和频繁碰撞

会严重破坏光的相干性

然而，团队的实验数据清晰表明

这些GHz量级的多普勒与碰撞展宽

并不会在四波混频中引入额外的相位噪声

这意味着，输出真空紫外光场的相干性

主要受基频激光稳定度支配

从而首次将超稳激光技术拓展至真空紫外波段

也为面向其他关键波长与更高性能指标的

相干真空紫外光源进一步发展奠定了基础

图1：镉原子共振增强四波混频过程

图2：实验示意图

图3：相机拍摄到的真空紫外光斑和干涉条纹

本科生担任共同一作，青年团队协力攻关

突破性研究的背后

是一支充满朝气的年轻团队

团队核心成员

几乎全部都是“90后”“00后”

清华物理系2021级本科生肖琦

是排名一顺位的论文第一作者

“大二刚入组时我几乎是科研小白”

肖琦回忆道

建理论、做计算、采数据、写论文

他都深度参与

承担了大量核心工作

与研究团队和实验室的朝夕相处

帮助他逐渐形成更成熟的科研思维

在“细节”和“效率”之间平衡推进实验

“这段经历对我锻炼非常大

也更坚定了我继续走科研道路的决心”

清华物理系2022级博士生黄北辰

主要负责实验室的基础设施搭建

供应商采购等工作

保障团队日常工作运转的同时

他还怀揣着对科研的热忱

“希望未来能与优秀的团队成员们一起努力

不断探索科学前沿”

在研究连续波真空紫外激光的道路上

团队展现出了超越年龄的科研素养与攻坚能力

协力攻克了这一领域的关键技术难题

丁世谦表示

这是实验室成立四年多以来

取得的首项实验成果

团队将以真空紫外激光的突破为起点

聚焦原子核跃迁的量子操控这一全新赛道

也期待有更多年轻人加入团队

共同开展前沿探索

“激光是一项通用工具

不仅会用在核光钟上

未来还有可能应用于

铝离子冷却、离子里德堡量子计算

凝聚态角分辨率电子能谱

以及芯片检测等产业”

这项源自中国的激光研究成果

不仅意味着未来有望诞生精准稳定的核光钟

它所开辟的全新技术路线与平台

更有望支撑前沿物理、量子科技与高端制造等

基础研究和实用领域的创新发展

而这些年轻的科研人员

依托中国的科研体系与先进的实验平台

正共同推动着世界前沿技术的发展

该项目得到国家自然科学基金、北京市科技计划和清华大学“笃实计划”的支持。清华大学物理系教授莫宇翔、中国计量科学研究院研究员林弋戈与清华大学物理系教授尤力等为本项目作出重要贡献。论文共同第一作者为清华大学2021级本科生肖琦、2023级博士研究生Gleb Penyazkov（国际学生）和北京量子院助理研究员李相良；通讯作者为清华大学物理系副教授、北京量子院兼聘研究员丁世谦。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10107-4