差之毫厘，谬以千里！
在现代高精尖科技竞争中，决定诸多重大工程精度的，往往是日常生活中容易被忽略的时间测量基准。
2026年10月，清华大学团队联合国内多家机构在《自然》发表研究成果，研制出能够闭环稳定运行的固态核光钟。

欧美实验室此前消耗数十微克甚至上百微克原料仍未跑通闭环系统，中国团队使用1.4微克材料完成了整套系统构建，并在频率稳定度指标上优于欧洲同行。
西方主导数十年的时间基准格局，由此出现了新的变化。
沿用数十年的时间计量规则，长期影响着前沿科技的底层系统在现代工业与科研体系中，全世界对于时间精确度的判定基准，长期由欧美科研机构主导。
1967年第13届国际度量衡大会做出决议，将国际单位制中的“秒”定义为铯-133原子基态能级跃迁9192631770个周期的持续时间。

从那时起，国际时间基准转移到了微观原子跃迁层面。这项规则的制定与维护，主要依托以美国国家标准与技术研究院、美国海军天文台为代表的机构。
时间测量精度的影响非常广泛。物理学中光速约为每秒30万公里，卫星时钟若产生1纳秒的误差，地面计算的位置便会产生0.3米的偏差。
全球卫星导航系统的运行与高精度定位，核心支撑便是星载原子钟。
在金融与通信网络中也是类似逻辑。高频交易系统中的订单撮合需要精确到微秒乃至纳秒级，跨国清算机构要求交易指令打上统一的时间戳。

若时间基准存在偏差，大规模资金的交割确认容易产生争议。因此，掌握时间源在很大程度上影响着国际数据网络的话语权。
然而，沿用多年的微波原子钟在测量精度达到小数点后16位后，逐步受限于物理机制。
欧美研究人员随后发展出锶原子光钟、镱原子光钟等第三代系统，将实验精度提升到了小数点后18位。但这类原子光钟在实际工程应用中遇到瓶颈，它们依赖的是原子核外层电子的跃迁。
核外电子分布范围相对较广，对周围环境扰动较为敏感。环境温度的变化会引发黑体辐射频移，外界存在的交变电磁场也会改变电子跃迁频率。
为减小这些环境扰动，设备须配备大型真空腔体、磁光阱与激光冷却装置，将原子约束并降至极低温度。

这使得高性能原子光钟结构复杂且抗震性能有限，主要运行在环境受控的地下实验室中，难以适应卫星发射时的力学环境或野外机动场景。
避开脉冲激光与高耗材路线，用微量资源实现系统闭环锁定为减小环境因素对时间基准的干扰，研究人员转向了原子核内部的跃迁过程，这便是核光钟的基本方案。
原子核的尺寸远小于核外电子活动区域，且核外电子层对外界电场具有屏蔽效果。因此，原子核内部的能级跃迁对温度变化和外界杂散电磁场的影响具有更强的抵抗能力。
但在所有已知元素中，绝大多数原子核的激发能级高达数千电子伏特以上，现有激光手段无法激发。

历经长期探索，科学界最终锁定了钍-229这一特殊同位素。
钍-229具备极罕见的低能量同质异能态，跃迁能量约为8.34电子伏特，对应波长处于148.4纳米的真空紫外波段，能够使用激光实施相干操纵。
不过，将这一物理机制转化为运行设备面临两项现实难题。
其一是原料获取极为困难。
自然界不存在天然的钍-229矿藏，需从核材料铀-233的衰变产物中缓慢分离提取，全球现有储量极其有限并受到严格管控。
在过往实验中，欧洲团队制备单晶样品通常需消耗数十甚至上百微克的钍-229原料。

针对原料紧缺问题，中国科学院上海硅酸盐研究所与上海光学精密机械研究所优化了微区晶体生长工艺，使用1.4微克的钍-229，便培育出质量达标的掺钍氟化钙单晶，原料利用效率较以往有了显著提高。
其二是连续波紫外激发光源的技术空白。
148.4纳米处于真空紫外波段，空气对其具有强吸收，常规非线性晶体亦难以透过。海外研究多使用高次谐波脉冲光源展开吸收谱线搜索，但脉冲光线宽较大且伴随噪声，难以作为持续频率锁定的参考源。
清华大学团队采用金属镉蒸气共振增强四波混频方案，利用两束375纳米激光在镉蒸气中激发双光子共振，并结合710纳米激光实现和频，研制出波长为148.4纳米的连续波真空紫外激光。
该光源输出功率达到10微瓦以上，线宽压缩至极窄水平，且未带来明显的附加相位噪声。

随后，团队利用该连续紫外激光透射掺钍氟化钙晶体，提取调制吸收信号形成频率误差反馈，驱动声光调制器对激光频率进行实时校准，实现了激光频率与钍-229核跃迁谱线的闭环锁定。
清华大学团队实现的核光钟秒级稳定度优于同期欧洲团队6倍。不仅完成了全流程闭环运转，其秒级稳定度相较欧洲同期报道的数据高出约6倍。
走向全固态物理架构，为下一代时间标准与深空探测提供新路径清华大学联合团队研制出的固态核光钟，对精密时间测量领域的价值不仅在于实验测试指标，还在于它改变了高精度时间基准的物理形态。

不同于依赖超高真空室与复杂激光冷却系统的原子光钟，固态核光钟将数以万亿计的钍-229原子掺杂在毫米级氟化钙晶体内部。
氟化钙晶体在真空紫外波段具有良好的透过率，且结构稳定。由于原子核跃迁对环境干扰的敏感度远低于核外电子，装置的核心频率基准得以集成在一块小型固态晶体内。
这种固态物理架构具备优良的抗震能力和环境适应性，摆脱了对低温制冷与复杂捕获机构的依赖，使极高精度的时间测量装置具备了走出特种实验室、进入机载、车载乃至航天平台的工程可行性。

在实际应用层面，这项突破有明确的现实意义。
在深空探测与卫星导航方面，航天器飞往火星或更远深空时，与地面的单向通信时延达数十分钟以上，地面站无法开展高频度时间校正。
若探测器配备稳定度高、体积可控的固态核光钟，便能摆脱地面测控信号的实时约束，完成自主高精度轨道测量与导航。
在地面基础设施与通信授时领域，目前许多金融清算中心与通信基站仍依赖卫星授时信号。
如果外部导航信号受到环境干扰或技术阻断，电网与数据网络的运行稳定会受到影响。具备自主高精度特性的核光钟技术，能够为关键基础设施提供更为独立的底层时间支撑。

在国际计量标准的演进上，国际计量局正在推进修改国际秒定义的议程。
以往的时间计量体系由微波铯钟技术确立，欧美机构占据了主导地位。而在以核能级跃迁为代表的新一代时间标准探索中，中国团队在材料用量控制、连续波真空紫外激光生成及整机闭环稳定度方面均取得了关键进展。#头条精选-薪火计划#
信息来源：2026 年 10 月 7 日 《量子精密测量实现新突破 我国科研团队研制出“核光钟”》｜央视新闻｜