把时间测量从电子推进到原子核，中国团队造出核光钟
10月7日，清华大学物理系副教授丁世谦带领的研究团队，在国际上率先研制出“核光钟”并实现稳定运行。相关成果在线发表于国际期刊《自然》。这件事的分量，得从我们现在用什么计时说起。
目前世界上最准的钟是原子光钟。我国研制的锶原子光晶格钟，运行300亿年误差不超过1秒，而宇宙从大爆炸到现在也只有138亿年。这个精度已经超出日常想象，但它有一个绕不过去的麻烦：原子光钟依托的是原子外层电子的跃迁节拍，而电子跃迁对外界的电场、磁场、温度以及激光系统扰动都相当敏感。要把精度推到极致，就得把这些扰动一项一项地精细控制住。结果是，目前性能最高的原子光钟基本只能待在实验室里，小型化和工程化都很难。
核光钟换了一条路。它不去数电子的节拍，去数原子核的节拍。团队选定的是放射性同位素钍-229的原子核跃迁，把它作为频率参考。原子核的尺度大约只有核外电子云尺寸的几万分之一，外界电磁环境对它的影响小得多，所以这个“钟摆”在原理上就更稳。丁世谦打过一个比方：老式的钟摆每秒差不多摆动一次，而原子核的节拍每秒大约是2000万亿次，等于把时间切得更细，数出来自然更精。
真正的难点在光源。要驱动钍-229的核跃迁，需要148纳米的连续波真空紫外激光，而这个波段的光源长期以来是一个瓶颈。清华团队历时近五年，原创性发展了148纳米连续波真空紫外激光技术，用这一光源精确驱动钍-229的原子核跃迁，并把激光频率稳定在这个核跃迁上，最终搭起了从核心光源、核钟晶体、核跃迁光谱探测到闭环运行的完整技术体系。实验结果显示，清华团队研制的核光钟，秒级稳定度优于同期欧洲团队6倍。
这项突破的意义可以放在三个层面看。其一，核光钟被视为继原子微波钟、原子光钟之后的新一代时间频率标准，它把人类量子精密测量的尺度从电子推进到了原子核，为量子操控开辟了新的研究方向。其二，由于对环境扰动的敏感度更低、又具备小型化潜力，高精度计时装置有机会走出实验室，未来可用于卫星导航和深空探测，对卫星、航天器进行更精准的定位和距离测量。其三，通过长期探测钍核跃迁频率的微小变化，可以用来检验基本物理常数是否真的恒定，这个精度可以做到比现有原子钟高很多。
还有一个细节值得记下来：整套系统的核心光源是我们自主研制的。时间频率基准听起来离日常生活很远，但卫星导航、通信网络、电网调度、金融交易的时间戳，底层都挂在它上面。