近日，清华大学物理系丁世谦团队和合作者利用自主研制的148纳米连续波真空紫外激光和掺钍-229氟化钙晶体，将激光频率稳定地锁定至钍-229核跃迁，成功实现了核光钟的稳定运行。2026年10月7日，相关成果以“锁定至钍-229的核钟”（A nuclear clock synchronized to Th-229）为题在线发表在《自然》杂志。该工作以及欧洲团队同时独立完成的工作，标志着钍-229核光钟的研制成功。

丁世谦（中）和团队

当前，原子光钟和原子微波钟利用原子中的电子能级跃迁，分别提供了最精确和最实用的时间计量。核光钟则利用钍-229原子核内部的核能级跃迁作为频率参考。由于原子核尺度远小于原子尺度，核跃迁受部分外界电磁环境扰动的影响更小，因而原理上可以提供比原子光钟更精确的时间频率基准；同时，固态核光钟具有的小型化和工程化的优势，有望为各类极端、复杂场景中的高精度时间频率需求提供更实用的技术选择。因此，核光钟有望成为继原子微波钟和原子光钟之后的新一代时间频率标准，是当前量子精密测量领域国际竞争的重要前沿。此外，钍-229核能级跃迁对基本常数变化等新物理效应具有更强的灵敏度，核光钟可以为检验基本物理规律提供新的精密测量平台。核光钟的实现还意味着量子操控的能力深入到了原子核尺度，为量子精密测量和量子调控开辟了新的研究方向。

此前，国际同行利用脉冲激光实现了对钍-229核跃迁的直接激发和测量，其跃迁能量约为8.4电子伏特，对应148纳米的真空紫外波长。但缺乏该波长的连续波激光，是制约核光钟研制的核心瓶颈。丁世谦团队在国际上率先研制出148纳米的连续波真空紫外激光，解决了精准驱动钍-229核跃迁的核心光源难题。团队自主发展的激光频率转换方法，在能获得所需的短波长激光的同时未引入显著的相位噪声，为核光钟研制奠定了核心技术基础，相关成果已于2026年2月发表于《自然》杂志。

解决了光源难题之后，另一项关键挑战来自掺钍-229的晶体生长。钍-229极其稀缺。面对这一关键战略资源的制约，在多方协同攻关下，团队开展了微量钍-229掺杂小体积晶体的研制，在没有试错空间的条件下，仅使用1.4微克钍-229就一次性成功生长出毫米尺度的高质量掺钍氟化钙晶体，单次生长所用核素仅约为欧洲团队的二百分之一。

将148nm激光频率锁定到钍-229核跃迁上，实现核钟闭环

有了连续波148纳米真空紫外激光和掺钍-229的氟化钙晶体，团队进一步开展了核跃迁精密光谱测量，获得了高分辨率核跃迁吸收光谱，并实现了快速的吸收读出，从中选择出兼具窄线宽和弱温度敏感性的核跃迁谱线作为核钟的频率参考。团队从核跃迁吸收信号中提取激光相对于核共振的频率偏差，并据此反馈修正激光频率，使激光频率持续稳定在钍-229核跃迁上。至此，钍-229原子核不再只是被激光探测的对象，而是成为稳定激光频率的量子标准，实现了从测量核跃迁到用核跃迁计时的关键跨越。依托该晶体，并凭借此前开发的148纳米连续波激光的性能优势，团队实现的核光钟秒级稳定度优于欧洲团队接近一个数量级，以极少的战略核素资源实现了国际领先的核光钟性能。自该工作的预印本于6月份公布以来，Nature News、ScienceNews、Scientific American等国际主流科技媒体均报道了这一工作，丁世谦也因此荣获了2026年世界顶尖科学家奖的“青年科学家奖”，颁奖词明确肯定其“在连续波真空紫外激光、钍-229核钟与核量子精密测量领域取得开创性实验成果”。

核光钟的研制成功，是本世纪以来量子精密测量领域最重要的突破之一。丁世谦和合作者们成功研制出148纳米的连续波激光和掺钍-229氟化钙晶体，并基于此率先实现核光钟的稳定运行，建立了从核心光源、掺钍晶体、核跃迁光谱测定到核钟闭环运行的完整技术体系，这是我国科学界具有标志性意义的重大原创性成果之一。

核光钟的研制涉及真空紫外激光、晶体材料、精密光频控制、放射性核素和弱信号探测等数项技术，这一成果的取得离不开对基础研究的长期稳定支持、高效的科研组织、多学科、多单位的协同合作和社会各界相关单位的鼎力支持。晶体研制是此次工作中多单位协同攻关最集中的环节之一，中国科学院上海光学精密机械研究所、上海硅酸盐研究所和上海应用物理研究所与清华大学团队一道，围绕掺钍-229的氟化钙晶体制备及表征开展协同攻关，为核光钟的实现奠定了坚实的基础。北京大学张熙博团队和中国计量科学研究院林弋戈团队则在超稳激光、频率计量及精密测量等关键环节提供了重要技术支持。清华大学校内的长期合作同样发挥了关键作用。在连续波真空紫外激光研制过程中，物理系莫宇翔教授和尤力教授在四波混频、光频梳等相关技术和实验方案上的长期经验积累发挥了重要的作用；核能与新能源技术研究院刘学刚团队则在掺钍晶体的制备与表征，以及钍-229相关实验条件方面给予了重要的支持。从项目开始到攻关的关键阶段，有关部委、清华大学和北京量子信息科学研究院给予了全方位的鼎力支持，来自多个相关高校和科研院所、产业界等众多社会各界人士给予了无私的帮助。

该论文的通讯作者为清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦、中国科学院上海硅酸盐研究所研究员苏良碧、上海光学精密机械研究所研究员杭寅和北京量子信息科学研究院博士后卜文浩；共同第一作者为清华大学物理系2022级博士生黄北辰、2024级博士生严高伟、2025级博士生肖琦和北京量子信息科学研究院博士后卜文浩、中国科学院上海光学精密机械研究所正高级工程师赵呈春、中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员张振和中国科学院上海应用物理研究所正高级工程师严超。本研究得到了清华大学笃实计划、北京量子信息科学研究院的支持，并获得国家和地方相关科研项目的共同资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11122-1