奥地利维也纳工业大学、德国联邦物理技术研究院等团队，利用波长约148.4 nm的连续波激光，在掺钍氟化钙晶体中直接测到了原子核对光的吸收。他们还获得了可判别激光频率偏移方向的信号，为固态核钟的快速读出与激光稳频提供了依据。论文于9月16日在线发表于国际权威学术期刊《Nature》。[1] Credit: Nature 时间测量的精度取决频率，频率越高，同样的相对精度对应的时间分辨就越细。光频段常见的是冷原子光钟，但它有两个问题。原子的热运动产生多普勒频移；光子与原子相互作用发生动量交换，造成反冲。激光冷却压制前者，光晶格或离子阱压制后者。核钟换用原子核内部的跃迁。已知原子核中，钍-229 的第一激发态低到可以用真空紫外激光直接激发，能量约 8.4 eV，波长约 148 nm。钍离子可以放进真空离子阱，也可以掺进晶体。对后者，晶格本身就是束缚，反冲动量由整个晶体承担，抑制单核反冲，这就是穆斯堡尔效应。因此固态核钟不需要另做冷却与囚禁，装置更简单，也更有机会长期稳定运行。代价是温度变化和局域环境仍会引起频移和展宽。这类频移只有 MHz 量级，可以精确测量。好处是大量原子核同时参与测量，信号比单个离子强。综上所述，核钟性能仍需实验检验。 过去的相关实验主要观测核激发后发出的荧光。氟化钙中该荧光的衰减时间约为600 s，收集信号和准备下一轮测量较慢。新的方法是在照射晶体的同时，观察透过晶体的光是否变弱：当激光频率接近核共振时，一部分光被吸收，透射光强随之下降，读出无需等待荧光慢慢衰减。 实现这一点，需要把光的能量集中在目标共振附近。团队将红外激光逐级倍频，制成窄线宽连续波真空紫外光源，并在共振附近与参考频点间交替测量，以抑制光功率漂移。吸收读出所需的采集时间约为荧光方案的五分之一；在优化配置下，可进一步降至百分之一量级。 在晶体中，钍离子周围原子的排列并不完全相同。研究人员辨认出两类局域结构，对应六条吸收谱线。其中一类具有较高对称性，可能减弱某些晶格形变带来的影响；但它是否更适合制成稳定的核钟，还需要进一步验证。 图1 吸收探测与两类钍掺杂中心。a：吸收探测器位于晶体后方，记录透射光变化。b：D中心和O中心的局域结构。 Credit: Nature 团队测得其中一条吸收谱线的半高全宽为91(2) kHz，即91 kHz，拟合不确定度为2 kHz。为了判断激光偏向共振的哪一侧，他们对激光频率进行调制，再解调透射光的变化，得到在共振中心附近过零、两侧符号相反的“误差信号”。控制系统可以据此决定将激光频率向上调还是向下调。 两类局域结构的跃迁中心还相差约4 MHz。理论计算与实验总体一致，支持了局域电子环境会影响核跃迁频率的解释。这也提醒我们：核跃迁虽有独特优势，晶体环境的影响仍需认真控制。 这项工作展示了快速吸收读出及其稳频用途；文中推算的核钟稳定度仍是噪声条件下的估计值。时间上，该吸收谱研究于2026年4月公开预印本，相关闭环核钟研究随后在6月公开，而这篇《Nature》论文于9月正式在线发表。今后，提高光信号质量，减小材料引起的频移和展宽，有望继续改善固态核钟性能。[1–4] 参考文献： [1] Morawetz I, et al. Nature 657, 626–631 (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11011-7. 预印本：arXiv:2604.16640。 [2] Lal V, et al. Optica 12, 1971–1974 (2025). DOI: 10.1364/OPTICA.574489。 [3] Toscani De Col L, et al. arXiv:2606.04997 (2026)，预印本，首发于6月3日。 [4] Huang B, et al. arXiv:2606.08870 (2026)，预印本，首发于6月7日。
