核钟

核钟是一种拟议的频率标准，其振荡器基于原子核两个能级之间的跃迁，而非传统原子钟所采用的电子壳层跃迁。目前已知唯一切实可通过激光激发的候选对象是钍-229核的第一激发态，这是一种能量极低的核同质异能素。由于核跃迁频率受周围环境的影响远小于电子壳层跃迁，研究人员预期核钟将比现有的光钟更加稳固耐用，并可用作探测基础物理学的灵敏探针。截至2026年，该概念已在实验室原型中得到验证，但尚未成为实用的计时仪器。

物理基础

普通的原子钟通过计数电子在原子或离子不同轨道间跃迁时发射的光或微波的振荡周期来进行计时。原子核本身也具有量子化的能级，通常间距在数百千电子伏特（keV）至兆电子伏特（MeV）量级，远高于电子跃迁的电子伏特（eV）量级。因此，绝大多数核跃迁都处于X射线或伽马射线波段，无法用作时钟参考基准。由于核跃迁频率远高于壳层跃迁，它们长期无法用于完全基于微波或激光的原子钟。钍-229则是罕见的特例，因为它的同质异能态能量异常之低。

这种极低的能量源于其核结构特性。基态与激发态的结合能各自都在MeV量级，而库仑贡献与核力贡献之间几乎完全抵消，从而导致了极小的能量差。正因如此，该跃迁频率对基本相互作用耦合常数的微小变化极度敏感，这也使其成为检验超越标准模型的物理学的重要研究对象。

目前的最佳测定值将该跃迁能量确定在约8.36 eV。这对应于约2.02 PHz的频率，或真空紫外波段约148.38 nm的波长，从而使其能够通过激光进行激发。早期的估算（例如电子能谱学测得的8.28 ± 0.17 eV）具有大得多的不确定度，直到激光测量技术成熟后，精确数值才得以最终确定。

钍-229同质异能素

该同质异能态的特性很大程度上取决于其所处的化学环境与电荷状态。钍-229的基态寿命极长，半衰期约为7,932年。而在中性原子中，该同质异能态的半衰期仅有约7微秒；但对于钍离子，半衰期则超过60秒，这是因为离子无法通过内转换释放结合松散的电子。在真空中的裸核状态下，该同质异能态的寿命预计接近1小时，从而可形成极窄的共振峰。该跃迁所能提供的潜在共振品质因数可达10¹⁹量级。

在固态晶体中，该寿命虽然有所缩短，但仍具有实用价值。在掺钍氟化钙（CaF₂）晶体中的测量表明，其辐射衰变半衰期约为447秒；研究人员还证实，利用X射线照射可以按需猝灭该同质异能态的粒子数，即所谓的X射线猝灭效应。

实验发展史

对核钟的研究兴趣可追溯至佩克（Peik）和塔姆（Tamm）于2003年提出的构想，他们建议将钍-229同质异能素作为核频率标准的基础。该提议建立在钍-229同位素具有约8.4 eV超低能量同质异能态的发现之上。多年以来，研究人员一直无法通过激光直接激发该同质异能态，主要是因为该能态难以被有效布居。尽管经过了长期的探索，激光激发在很长时间内都未能取得突破。

为此，科学家开发了数种方法来攻克这一难关。通过共振通道进行X射线泵浦被用于在透明晶体中布居该同质异能态；随后，电子能谱学和激光驱动的穆斯堡尔谱测量为该跃迁提供了更为详尽的信息。2025年，加州大学洛杉矶分校的一个团队在二氧化钍中实现了激光驱动的内转换电子穆斯堡尔谱测量，首次在不透明介质中直接观测到了核跃迁信号。复旦大学的理论工作也计算了孤立钍离子的跃迁频率，为离子阱实验提供了精确目标。

目前主要有三条实验研究路线：

• 基于离子的核钟：利用激光探测单个捕获的钍离子。这种方案环境最为纯净，但发光粒子数量极少。
• 基于原子和表面的方案：利用同质异能素在中性原子或薄膜中的特性。
• 固态核钟：将大量钍原子核嵌入固态晶体中。这是最具实用前景的路线。

固态核钟

固态设计备受关注，因其能够容纳极大量的发光核。由于核跃迁与周围环境的耦合极其微弱，固态晶体中容纳的发光粒子数量可比现有的光晶格原子钟高出数个数量级。钍以极低的浓度掺杂到晶体基质中，原子核被约束在兰姆-迪克（Lamb–Dicke）体系内，从而在品质因数折损极小的情况下实现了构造简单且稳健的装置。

多项研究探讨了此类晶体的物理性质。2025年的一项研究发现，四极分裂跃迁线中的一条对温度的依赖性极弱，这意味着只要晶体温度得到合理控制，温度波动就不会成为限制稳定度的瓶颈。2026年的一项研究表征了核钟跃迁随掺杂浓度、温度和时间的变化关系，证实了其高度的可重复性，并明确了这些晶体的最佳工作条件。

2026年迎来了关键里程碑，一个科研团队展示了由连续波激光驱动的核钟。该团队基于吸收光谱利用快速反馈技术，将连续波激光锁定在148 nm的核跃迁上。钍核置于室温下毫米大小的氟化钙晶体中，该核钟并与镱离子单离子钟进行了比对。其受散粒噪声限制的分数频率不稳定性约为3×10⁻¹²除以平均时间（秒）的平方根，运行一天后可接近10⁻¹⁵。该不稳定性表示为：$$\sigma_y(\tau) \approx \frac{3\times10^{-12}}{\sqrt{\tau/\text{s}}}$$ 其中 $\tau$ 为平均时间。研究人员预计，未来装置的不稳定性有望进一步提高数个数量级。

应用前景

计时与计量学。 核钟的精度在原理上可以达到甚至超过光学原子钟。作为对比，2025年美国国家标准与技术研究所（NIST）报道的最佳光钟基于单个铝离子，其短期稳定度达到每根号平均时间3.5×10⁻¹⁶，不确定度为5.5×10⁻¹⁹。固态核钟设计由于仅需适度的温度控制，还可能促成紧凑、便携且适用于野外部署的计时设备。

基础物理学。 核钟对精细结构常数及其他基本物理常数的潜在漂移极为敏感。基于钍-229核跃迁的时钟对于检验预测基本常数随时间变化的超标准模型理论具有重要价值。在2026年的反馈环路研究中，研究人员利用该核钟通过跃迁能量的周期性波动和缓慢漂移来搜寻超轻暗物质。其对暗物质与光子耦合强度的限制已可与最佳原子钟相媲美，而在与强相互作用耦合的限制上更是超越了以往的测量结果。

挑战与待解问题

该领域仍存在若干技术难题。早期的固态测量显示的谱线宽度约为300 kHz，远宽于由同质异能态寿命决定的自然线宽。后期的样品将此线宽压窄至约20 kHz，但与理论极限的差距仍然制约着所能达到的精度。晶格振动也可能影响跃迁，尽管这一效应预计会随时间平均掉。

材料选择是另一个关键问题。氟化钙在真空紫外波段是透明的，但其他基质材料也在研究之中，且该同质异能素在不同环境下的行为机制尚未被完全掌握。实验难度同样不容小觑。全球有十多个研究团队正在攻关钍-229核钟的可行性，事实证明其在实验上极具挑战性。

理论层面也存在悬而未决的问题。关于核形变对灵敏度贡献的理论计算表明，某些传统假设（例如激发过程中核体积保持不变）可能需要修正。这类计算结果直接关系到核钟能对新物理施加多强的限制，目前仍在深入研究之中。

综合来看，2025年至2026年的研究成果证实了激光驱动固态核钟的可行性，但在精度和长期稳定度能够媲美现存最佳原子钟之前，仍需取得实质性的改进。

参考来源

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