編輯丨王多魚(yú)

排版丨水成文

光鐘提供了最精確的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，在導(dǎo)航與基礎(chǔ)物理規(guī)律檢驗(yàn)等方向具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。原子光鐘以電子躍遷為參考，對(duì)外界電磁環(huán)境較為敏感，且依賴超高真空、激光冷卻與囚禁等復(fù)雜實(shí)驗(yàn)裝置，制約了其在實(shí)驗(yàn)室外的推廣應(yīng)用。

近兩年，核光鐘研究快速發(fā)展，提出了以釷-229 原子核在 148 nm 真空紫外波段的低能核躍遷為基準(zhǔn)。以核躍遷替代電子躍遷，有望帶來(lái)光鐘原理層面的范式升級(jí)。原子核處于原子內(nèi)部、尺度極小，與外界電磁場(chǎng)的相互作用相對(duì)更弱，因此對(duì)環(huán)境擾動(dòng)更不敏感，使得核光鐘兼具極高精度、強(qiáng)抗環(huán)境擾動(dòng)能力以及便攜可工程化潛力，被普遍認(rèn)為是當(dāng)今量子精密測(cè)量領(lǐng)域的戰(zhàn)略性前沿方向。

然而，核光鐘的研制存在一個(gè)關(guān)鍵瓶頸——缺乏 148 nm 連續(xù)波激光。

2026 年 2 月 11 日，清華大學(xué)物理系丁世謙團(tuán)隊(duì)（肖琦、Gleb Penyazkov、李相良為論文共同第一作者），在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Continuous-wave narrow-linewidth vacuum ultraviolet laser source（連續(xù)波窄線寬真空紫外激光光源）的研究論文，值得一提的是，論文第一作者肖琦為清華大學(xué) 2021 級(jí)本科生。

該研究在連續(xù)波真空紫外光源方面取得重大突破，成功研制出 148 nm 連續(xù)波超窄線寬激光光源，首次將超穩(wěn)激光技術(shù)推進(jìn)至真空紫外波段，攻克了核光鐘研制的“最后一個(gè)核心瓶頸”。該光源在目標(biāo)波段輸出功率超過(guò) 100 nW，線寬遠(yuǎn)低于 100 Hz，且在 140 至 175 nm 區(qū)間具備連續(xù)可調(diào)諧能力。相比之前已報(bào)道的單頻真空紫外光源，其線寬降低了近百萬(wàn)倍，可滿足釷-229 核光鐘研制與核躍遷量子相干操控的核心需求。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作是一項(xiàng)重大的技術(shù)突破，它提供了一把前所未有的“鑰匙”，為打開(kāi)超精密核光鐘時(shí)代的大門(mén)以及其他前沿科學(xué)領(lǐng)域的研究提供了強(qiáng)大的工具。

為突破核光鐘研制的關(guān)鍵瓶頸——缺乏 148 nm 連續(xù)波激光，美國(guó)于 2025 年啟動(dòng)了 SUNSPOT 計(jì)劃，面向 148 nm 連續(xù)波光源開(kāi)展專項(xiàng)攻關(guān)。丁世謙團(tuán)隊(duì)突破主流的非線性晶體路線，從理論上提出基于金屬蒸氣四波混頻的連續(xù)波真空紫外產(chǎn)生方案，在美國(guó) SUNSPOT 計(jì)劃立項(xiàng)前即率先在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了 148 nm 連續(xù)波輸出，并將線寬較此前單頻真空紫外激光降低了近六個(gè)數(shù)量級(jí)。該成果將為釷-229 核躍遷的高分辨譜學(xué)與量子相干操控提供關(guān)鍵光源支撐，補(bǔ)齊了核光鐘研制的最后一塊拼圖。

值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了在極低激光功率條件下仍可穩(wěn)定工作的相位探測(cè)方法，并從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)熱金屬蒸氣中 GHz 量級(jí)的多普勒與碰撞展寬并不會(huì)在四波混頻過(guò)程中引入額外的相位噪聲。這一發(fā)現(xiàn)表明，輸出真空紫外光場(chǎng)的相干性主要受基頻激光穩(wěn)定度支配，從而將超穩(wěn)激光技術(shù)拓展至真空紫外波段，也為面向其他關(guān)鍵波長(zhǎng)與更高性能指標(biāo)的相干真空紫外光源的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖1：鎘原子共振增強(qiáng)四波混頻過(guò)程；圖2：實(shí)驗(yàn)示意圖；圖3：相機(jī)拍攝到的真空紫外光斑和干涉條紋

該光源平臺(tái)具備連續(xù)波運(yùn)行、相干性優(yōu)異和寬范圍可調(diào)諧等特點(diǎn)，除服務(wù)核光鐘外，還可作為通用真空紫外相干光源平臺(tái)，支撐鋁離子原子光鐘等量子精密測(cè)量研究，并服務(wù)量子信息相關(guān)實(shí)驗(yàn)、凝聚態(tài)角分辨光電子能譜及高分辨真空紫外譜學(xué)等前沿應(yīng)用。面向半導(dǎo)體關(guān)鍵材料與工藝的真空紫外計(jì)量、芯片檢測(cè)與機(jī)理研究需求，該平臺(tái)有望推動(dòng)高端測(cè)試表征裝備與關(guān)鍵部件的自主可控，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)韌性。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10107-4