前言
率先研制出“核光钟”,相关成果于当日正式刊发于国际顶级学术期刊《自然》,标志着我国在量子精密测量领域实现了从“电子跃迁计时”到“原子核跃迁计时”的里程碑式技术跨越,也让我国在新一代时间频率标准的国际竞争中占据了先发位置。
时间频率标准是支撑现代科技体系的核心基础,从日常使用的卫星导航,到深空探测的航天器定位,再到前沿基础物理研究,所有高精度测量场景都依赖于稳定的时间基准。自20世纪原子钟问世以来,人类先后发展出原子微波钟、原子光钟两代时间频率标准,其中当前精度最高的原子光钟已经能做到数亿年误差不超过1秒,但受限于原理瓶颈,其进一步应用始终面临难以突破的限制。而核光钟作为继前两代产品之后的第三代时间频率标准,是近年来全球量子精密测量领域公认的最前沿攻关方向,过去十余年里,全球多个顶尖科研团队都在相关领域展开技术攻关,始终未能实现完整样机的研制突破。
此次清华大学丁世谦团队历时近五年攻关,最终啃下了这块“硬骨头”。团队突破了一系列“卡脖子”技术难题,其中最核心的原创性成果是成功研发出148纳米连续波真空紫外激光技术,以此精确驱动放射性同位素钍-229的原子核跃迁,将激光频率长时间稳定在核跃迁基准上,最终在国际上首次完成了核光钟完整样机的研制,相关技术路径也得到了《自然》期刊审稿人的高度认可。
与当前性能最优的原子光钟相比,核光钟的技术优势具有代际级的提升。原子光钟基于核外电子跃迁实现计时,而核外电子的运动状态容易受到电场、磁场、温度等外部环境扰动影响,这也导致现有原子光钟仅能在高度屏蔽的实验室环境下稳定运行,小型化、工程化难度极高,几乎无法在野外、航天等复杂场景中应用。而核光钟以原子核跃迁为计时基准,原子核的尺寸仅为核外电子云的几万分之一,对外界环境扰动的抵抗能力大幅提升,其“节拍”稳定性远超电子跃迁,每秒振荡可达2000万亿次,理论上计时精度可比现有原子光钟提升至少一个数量级,更重要的是,其原理特性决定了它天然具备小型化潜力,具备走出实验室、在复杂场景下应用的可能。
此次核光钟的研制突破,为新一代高性能时间频率基准、深空探测、基础物理研究等领域开辟了全新的技术路径,未来成熟后可广泛应用于长航时高精度自主导航、深空航天器自主定位、引力波探测、暗物质搜寻等关键场景,将为我国诸多国家重大战略需求的实现提供核心技术支撑。