两个团队率先造出运行核钟

经过二十多年的努力，两个独立研究团队首次建造出运行中的核钟——利用原子核振荡而非电子跃迁计时的装置。相关预印本于6月初发布在arXiv上，标志着核计时从理论走向现实。

arxiv [2606.04997] A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop

长期寻求的里程碑

欧洲团队由奥地利维也纳理工大学的物理学家 Thorsten Schumm 领导，中国团队则由清华大学的丁世谦和第一作者黄北辰主导。两个团队各自将真空紫外激光锁定到氟化钙晶体中钍-229 的 148 纳米核跃迁上，并通过反馈回路不断调整激光频率以匹配核共振——这一步将真正的时钟与单纯的演示区分开来。

“这是最终缺失的一步，之后才能称之为真正的时钟。”未参与这两项研究的美因茨约翰内斯·古腾堡大学物理学家 Lars von der Wense 告诉《科学新闻》。

清华大学团队实现了每平方秒平均时间 2×10⁻¹² 的分数频率不稳定度，在长时间运行后达到约 2×10⁻¹⁴。维也纳团队报告的不稳定度为每平方秒平均时间 3×10⁻¹²，在连续全天无人值守运行下接近 10⁻¹⁵。两者都在室温或接近室温下工作，无需当今领先原子钟所需的极端冷却或真空系统。

意义何在

原子核比其周围的电子云小大约一万倍，因此受电场、温度波动和其他环境噪声的干扰要小得多。这种韧性最终有望产生稳定性无与伦比的时钟——紧凑到可部署在现场，同时又足够精确，可用于检验基本物理常数是否随时间漂移。

维也纳团队立即将他们的时钟用于搜索超轻暗物质，报告称该设备在限制暗物质如何与强核力和夸克耦合方面已经优于原子钟。这种增强的灵敏度源于钍-229 的核跃迁对精细结构常数变化的响应比传统原子钟使用的电子跃迁灵敏数千倍。

初期阶段，快速进步

两个团队都承认，当前的设备尚未达到世界最佳光学原子钟的原始精度（后者分数不确定度低于 10⁻¹⁸）。但改进速度很快。就在今年 3 月，中国、欧洲、日本和美国的近十几个团队还在竞相组装必要的组件。维也纳团队自己的 2024 年工作首先定位了钍共振；而现在，仅仅两年后，就建成了工作时钟。

“最令我印象深刻的是，系统连续运行了 24 小时而无需人工干预。”德国国家计量研究所 PTB 的 Ekkehard Peik 说，他也是欧洲论文的合著者。