核光钟作为新一代精密计时系统,代表了当今基础物理研究的前沿方向。
与现有原子光钟相比,核光钟具有更高的测量精度和稳定性。
理论计算表明,其精度可达10的负19次方以上,在3000亿年的时间尺度上误差不会超过1秒。
这种超高精度的计时能力,不仅对基础物理研究具有重要意义,更有望在导航定位、深空探测、地质监测等多个领域产生深远影响,因此成为国际科技竞争的战略制高点。
当前世界上最精确的计时系统是原子光钟,其精度在600亿年的时间尺度上误差不超过1秒。
然而,原子光钟依赖于原子外层电子的跃迁过程,这一过程容易受到外界电磁场、温度变化等因素的干扰,难以脱离实验室环境,严重限制了其实际应用范围。
相比之下,原子核内部的能级跃迁频率更高,受外界环境影响更小,由此产生的核光钟具有更强的抗干扰能力和便携化部署的潜力。
钍-229是目前已知的唯一可用激光相干操控的原子核。
若能用特定激光激发其核跃迁,就可以制造出世界上第一台核光钟。
然而,长期以来,研究团队面临一个核心难题:无法研制出能激发钍-229核跃迁的连续波激光光源。
这一瓶颈制约了核光钟从理论向实践的转化。
清华大学物理系丁世谦副教授团队通过创新性的技术路线,成功突破了这一瓶颈。
团队摒弃了传统依赖非线性晶体频率转换的方案,转而采用四波混频技术,选定镉蒸气作为非线性介质,成功研制出148纳米连续波超窄线宽真空紫外激光光源。
该光源在目标波段的输出功率超过100纳瓦,并在140至175纳米区间具备连续可调谐能力。
与之前的单频真空紫外光源相比,线宽降低了近百万倍,达到了前所未有的水平。
这一成果的取得过程中,团队还发现了一个颠覆性的现象。
学界长期认为,用于产生激光的热金属蒸气中气体原子的高速运动和频繁碰撞会严重破坏光的相干性。
然而,团队的实验数据清晰表明,这些千兆赫量级的多普勒与碰撞展宽并不会在四波混频中引入额外的相位噪声。
这意味着输出真空紫外光场的相干性主要受基频激光稳定度支配。
这一发现首次将超稳激光技术拓展至真空紫外波段,为开发其他关键波长与更高性能指标的相干真空紫外光源奠定了坚实基础。
相关研究成果于北京时间2月12日以《连续波窄线宽真空紫外激光光源》为题在线发表于《自然》杂志。
美国物理学会旗下《物理学杂志》同期在评论栏目刊发专题文章,对这一突破进行了深入解读。
值得关注的是,这项突破性研究的完成者是一支充满朝气的年轻团队。
团队核心成员几乎全部为"90后"和"00后"。
清华未央书院2021级本科生肖琦担任论文第一作者,这在顶级学术期刊上并不多见。
肖琦在入组初期几乎是科研小白,通过建立理论模型、进行数值计算、采集实验数据、撰写学术论文等全过程的深度参与,逐步成长为科研骨干,承担了大量核心工作。
这充分体现了清华大学在培养青年科研人才方面的成效。
在前沿科技竞争中,真正拉开差距的往往不是单一指标的提升,而是对关键瓶颈的穿透式解决与可持续迭代的体系能力。
面向更高精度的时间计量,真空紫外连续波窄线宽光源的实现不仅为核光钟打开一扇门,也提示我们:坚持面向国家需求和科学前沿的长期投入,强化原始创新与工程能力的耦合,才能让“实验室里的突破”更快转化为“可被世界使用的标准与工具”。