核光钟是什么？与普通原子钟相比有哪些区别？

核光钟是一种以原子核能级跃迁作为计时参考的光学钟。它和常见的原子钟一样，先用激光探测一个稳定的跃迁频率，再把激光锁定在这个频率上；差别在于，普通原子钟通常利用原子核外电子的能级变化，而核光钟“读取”的是原子核内部的能级变化。

目前最受关注的方案使用钍-229。它的原子核有一个能量异常低的激发态，与基态之间的能量差约为8.4电子伏特，对应真空紫外光，因而能够用激光直接激发。多数核跃迁所需能量远高于光学范围，很难用常规激光操控；钍-229是一个罕见的例外。

核光钟怎样计时？

原子钟可以把特定原子跃迁的频率当作“节拍”。实验装置用激光照射原子或原子核，改变激光频率，观察跃迁信号；一旦激光频率偏离共振点，反馈系统便进行校正。稳定的激光振荡再经过计数和分频，形成时间信号。

核光钟的关键部件包括钍-229样品、产生约148纳米真空紫外光的激光系统，以及探测核跃迁并反馈锁频的装置。样品可以是被离子阱捕获的钍离子，也可以是掺入氟化钙等晶体的钍原子核。晶体方案能同时探测大量原子核，有望让装置更紧凑；离子阱方案则能更好地隔离和控制单个离子，但实验系统较复杂。

2026年10月，两项独立研究在《自然》发表了钍-229核光钟运行结果：研究团队把连续激光锁定到晶体中的核跃迁，并利用吸收信号反馈稳定激光。这说明核跃迁已经从可测量的实验现象，进一步成为实际运行的计时参考。中国团队的研究；维也纳团队的研究

与普通原子钟有什么区别？

一是参照的能级不同。 原子钟观测电子在不同能级间跃迁；核光钟观测原子核内部的质子、中子组成的核系统从一个状态跃迁到另一个状态。核外电子容易受到电场、磁场和环境变化影响，原子核则相对不易受外界扰动，因此核跃迁有望提供更稳定的频率参考。

二是抗干扰潜力不同。 核光钟的频率可能较不容易受外部电磁场影响，有利于降低某些环境因素造成的误差。但“原子核更稳定”不等于整个钟天然不受干扰：晶体中的局部电场、温度变化、应力，以及核外电子与原子核之间的相互作用，仍会影响跃迁频率。实验上必须逐项测量和校正。

三是跃迁频率和精度潜力不同。 钍-229核跃迁属于光学频段，振荡频率很高。频率越高，通常越有利于精细分辨微小的频率变化，因此核光钟有望达到很高的精度，并用于检验自然常数是否随时间变化、寻找暗物质等基础物理研究。不过，频率高只是优势条件之一，最终表现还取决于跃迁线宽、测量噪声、激光稳定度和系统误差。

四是技术难度不同。 普通光学原子钟的激光、离子阱或冷原子控制技术已经发展多年；核光钟要产生并稳定控制真空紫外激光，还要制备合适的钍-229样品并可靠读出极弱的核跃迁信号。最近的研究采用晶体吸收信号进行快速反馈，克服了过去依赖缓慢荧光读出的部分限制，但真空紫外光源和样品环境仍是重要技术环节。

现在能取代原子钟吗？

还不能。2026年的实验已经实现核钟频率锁定和连续运行，是关键的原理与装置进展；其中一项研究报告的相对频率不稳定度约为 (5\times10^{-13}/\sqrt{\tau/\mathrm{s}})，平均时间增加后可以进一步改善。这个数值描述的是特定测量条件下频率稳定性随平均时间的变化，不能简单等同于长期准确度。现阶段，顶尖光学原子钟的表现仍明显领先，核光钟也尚未成为日常授时或导航设备。相关实验结果

因此，核光钟的现实意义目前主要在精密测量和基础研究：它提供了一种不同于电子跃迁的频率基准，可以与原子钟进行比对，检验物理理论，也为更小型、更坚固的高精度时钟打开了新的研究方向。它已经从设想走到实验运行，但距离成熟、便携并广泛使用，还需要继续提高稳定性、控制系统误差和简化设备。