时间，是人类描述世界最基础的物理量之一，对精确时间计量的追求，数千年间从未止步。

　　2026年，清华大学物理系副教授丁世谦带领团队在国际上率先实现钍-229核光钟闭环运行，让时间计量从“听电子的节拍”进一步深入到“听原子核内部的节拍”。这是量子精密测量领域的一项重要突破，有望刷新人类对时间的理解。

　　“这一刻的到来只是时间问题。”丁世谦说。这条通往原子核的道路，他走了4年多。

　　挑战冷门把“钟摆”放进原子核

　　在国际单位制中，时间的基本单位是秒。特定长度的钟摆，每摆动一次相当于1秒。但如今，人类早已不满足于这样的时间计量精度，而是向着运行数千亿年不差一秒，甚至更为精细的时间尺度计量迈进。

　　这样的极致追求，需要更精密的“钟摆”。长期以来，科学家将原子外层电子的能级跃迁频率作为高精度“振荡器”，用电子的“节拍”度量时间。但由于外层电子对电磁场环境比较敏感，一旦受到外界干扰，其频率就会发生改变，影响计时精度，最高精度的原子光钟因此很难走出实验室。

　　于是，学界将目光投向了更为稳定的原子核，用原子核的内部跃迁频率作为计时参考，由此衍生的“计时器”便是核光钟。

　　“我们可以把核光钟理解成一台极为稳定的时间机器，它和日常钟表的核心功能一致，但物理原理不同。”丁世谦解释，钟表会因温度变化、机械磨损等产生误差，而核光钟严格基于物理现象，能够提供更高精度的时间频率基准。

　　丁世谦其中，钍-229原子核激发态能量很低，可以被激光直接“拨动”。但在核光钟概念被提出的20多年里，各国团队接连投身研发却一直未能成功，所欠缺的核心工具之一，就是一束波长148纳米的连续激光。普通激光可以在空气中长距离传播，可148纳米激光会在极短距离内被吸收殆尽，无法满足核光钟操控连续、稳定的激光需求。

　　2021年底，丁世谦入职清华大学，选定的科研方向就是如何利用激光操控原子核。“如果把原子比作一座体育场，原子核的大小只相当于体育场内的一只蚂蚁。精准调控飞米级尺寸原子核的量子态，对我的诱惑非常大。”尽管朋友反复建议他在科研初期可以选择相对热门的方向，丁世谦依然坚持。“科学的本质是探索新鲜事物，至于具体的方向究竟是热门还是冷门，很多时候并不重要。”

　　解开难题的钥匙，“藏”在一片蒸气中。蒸气内的原子密度大、速度快且会持续剧烈碰撞，学界通常认为这可能会导致激光频率转化过程中噪声增加。但丁世谦带领团队一头扎进实验室，和镉蒸气较起了劲，还翻出了20世纪70年代的老方案——四波混频技术。

　　3年多、数不清的实验，一个结果出现了：基于四波混频技术，在约600摄氏度的镉蒸气中产生的148纳米激光，波动竟然丝毫未受影响，不会引入可被观测的相位噪声。这意味着，丁世谦团队在国际上首次实现148纳米连续波激光输出，并将超稳激光技术推进至真空紫外波段，目标波段输出功率达到10微瓦量级，有能力完成对钍-229核光钟的操控。

　　“攻克了这一关，我心里很清楚，研制核光钟的核心瓶颈已经突破。”阶段性的胜利，坚定了丁世谦的信心，“作为青年科技工作者，我当然面临着出成果、出好成果的压力，但选择了正确的方向，就只管做下去，一定会有收获。”

　　攥着1.4微克为核光钟塑“心脏”

　　148纳米连续波激光的突破，标志着核光钟技术的“最后一片拼图”被破解。但从核心光源突破到核光钟真正运行，中间还隔着重重山峦。

　　在越过山峦的道路上，丁世谦有着一位进度几乎并驾齐驱的对手。虽然在相关技术参数上，丁世谦团队明显占优，但作为对手的欧洲科研团队，掌握着毫克量级的钍-229原材料。相比之下，丁世谦的实验室仅存有1.4微克钍-229——一滴水都要比它重几万倍。

　　这点材料够不够？“在科研探索中，如果能确定一件事可行，其实就已经完成了95%的工作。但在当时，这1.4微克原材料究竟够不够制备出合格的晶体，谁也不知道。”丁世谦说，钍-229资源极其稀缺，国内获取尤其困难。

　　如此微量的钍-229，为了保持足够的掺杂浓度，必须把晶体做得很小，但晶体尺寸越小，对工艺的要求就越高。于是，丁世谦联合中国科学院上海硅酸盐研究所，用廉价的钍-232作为替代品，利用已有的氟化钙晶体生长技术，尝试在晶体生长过程中“加料”，以氟化钙为主体掺杂微量钍，形成掺钍氟化钙晶体。

　　比材料稀缺更难的，是如何稳妥操作这1.4微克的原料。“一滴水大约是50毫克，1.4微克相当于把一滴水切成3万多份，甚至只是挥动手臂带起的微风，都会将它吹飞，更不用说把它均匀地掺入氟化钙晶体中了。”直到这枚晶体真正生长成功前，丁世谦的心里都揣着问号，“这实在是门绣花功夫”。

　　最终，这枚直径仅1毫米的掺钍-229氟化钙晶体，成了核光钟的“心脏”——当148纳米激光射过，晶体内的微量钍-229原子核就会吸收激光，跃至激发态。这个过程发生在飞米级，也就是一千万亿分之一米的尺度上。

　　装置照片“在激光领域，我们是专业的。”丁世谦解释，相比于激光自身功率抖动产生的百分之几量级的背景噪声，被吸收的激光比例仅有万分之几量级，很容易被淹没在背景噪声中。但通过特定的调制方法，科研团队能从中精准“挑”出激光的吸收数据并将其放大，探测到有效信号。

　　稳定信号命中“十环中的十环”

　　有了稳定的光源和性能突出的晶体，接下来便是枯燥而又重复的一次次调试，这也是科研工作的日常。“如果真的算起来，‘拧螺丝’是我们最重要的工作之一。”丁世谦打趣道。

　　丁世谦的实验室面积不算大，绝大部分空间都被实验平台和器材占据。他把自己的工位安在实验室一角。平日里，只要没有外出任务，他几乎都泡在实验室，和团队一起工作。“这是我从我的导师、沃尔夫物理学奖获奖者叶军身上学到的工作习惯，和学生在一个空间里工作，遇到问题我就能第一时间响应、解决。”

　　转折点出现在一个普通的傍晚。那天，团队依旧是根据前期测试发现的问题调试装置。这样的状态，他们已经持续了数月。“前沿探索就是这样，我们不断地对各种实验条件进行细微调整，但其实，看不到预期的效果是常态。”

　　前期所有的“失败”，都是成功一刻的铺垫。波长148纳米的激光，连续、稳定地从激光器发出，精准射入掺钍-229氟化钙晶体，击中“体育场内的蚂蚁”，钍-229原子核随即被激活，探测器第一次接收到了稳定的信号。

　　这是“十环中的十环”！

　　真正令他激动不已的，是核光钟又经过不断调试趋于稳定后，得到的一组与理论曲线几乎完全吻合的吸收谱信号图。“那是一张极为漂亮的图片，完美到不像是真实数据。”那天，丁世谦坐在电脑前，静静见证探测器传回的数据，在系统中一点点组成顺滑的曲线。

　　2026年10月，丁世谦团队的论文《锁定至钍-229的核钟》在《自然》杂志发表。借助性能顶尖的激光，仅消耗相当于国际同行两百分之一的原材料，就在国际上率先实现钍-229核光钟闭环运行，秒级稳定度优于同期国际研究团队近一个数量级。

　　除了这一指标，丁世谦团队还验证了核光钟的频率可重复性，这是另一项决定核光钟未来能否真正成为计量基准的重要特性。他们制作了两块生长工艺和掺钍浓度均不同的晶体，其中一块晶体内部甚至还有明显的气泡，但测得的核跃迁频率，仍能在十万亿分之一量级上相符。更换晶体、更换实验环境，仍能够获得一致的频率参考，这让固态核光钟向真正可靠、可复现的计量基准又迈进了一步。

　　记者注意到，这篇论文排名前三位的作者，都是团队内的“00后”博士生，团队的平均年龄也不到30岁。“我们很幸运，站在了前辈们数十年的科研积累之上。”丁世谦的表达一如他的名字，谦逊有礼。

　　丁世谦（中）和团队核光钟的稳定跳动，也敲击了我国基础物理研究的新节拍。从148纳米连续波真空紫外激光、微量掺钍晶体，到快速吸收探测和核钟闭环控制，这条完整技术链由国内科研团队自主打通。接下来，丁世谦还将带领团队继续为核光钟“瘦身”，努力将目前占据数平方米光学平台的核光钟，缩小至一台电脑机箱的大小，以期在新型导航系统、量子精密测量以及基础研究等领域，发挥更为关键的作用。