我国学者实现核钟关键真空紫外连续激光光源

　　择要 原子核光钟是下一代极高精度时间尺度的无力竞争者，其体系没有肯定度无望落至10^-20量级。然而，驱动要害的钍-229核跃迁恒久受困于缺乏高功率谱密度的窄线宽持续光源。为霸占这一物理壁垒，清华年夜学丁世谦团队提出并完成了基于镉蒸汽中共振加强四波混频的试验方案。该安装胜利发生了功率凌驾100nW、相对线宽低至26Hz的持续真空紫外激光，并正在146.97nm至153.7nm完成宽带持续调谐。该研究将光源功率谱密度晋升了五个数目级，可作为相关把持核跃迁的光源，为核钟研制打扫了要害技能停滞，相干结果近期颁发于国际权势巨子学术期刊《天然》[Nature (2026)]。

　　原子核光钟（核钟）正在紧密丈量物理中具备奇特职位地方，是下一代时间频次尺度的重要候选。与基于电子壳层跃迁的光学原子钟相比，原子核的电偶极矩以及磁偶极矩更小，且深埋于电子云外部，对外界电磁场扰动具备自然的高抗滋扰性。实践上，核钟无望完成10^-20以至更低的体系没有肯定度，不只可成立更高精度的时间基准，也为查验基本物理常数、探测暗物资、验证尺度模子等前沿研究供给了超高活络度的试验平台。

　　然而，核能级跃迁能量凡是正在MeV量级，远超现有激光才能。钍-229原子核的第一引发态与基态仅相差约8.4eV，对应波长约148.4nm，是今朝独一可经由过程激光间接操控的核跃迁。

　　完成核钟的焦点瓶颈正在于缺乏适合的相关光源。对核跃迁举行相关操控需求高功率谱密度、极窄线宽的光源。以往基于脉冲激光的研究虽能丈量跃迁波长，但脉冲光源线宽凡是正在GHz量级，共振处功率谱密度低，难以高效、高保真地驱动钍-229核跃迁。是以，研制148.4nm相近高功率谱密度的持续波窄线宽激光器，是成长核钟必需霸占的要害技能。

　　针对这一难题，清华年夜学物理系团队提出并完成了基于镉蒸汽共振加强四波混频的真空紫外光源方案。四波混频可经由过程三阶非线性光学效应发生新频次重量。研究选用镉原子作为非线性介质，其正在方针波段具备较年夜跃迁矩阵元，且可经由过程加热得到脚够高的蒸汽密度。试验以375nm 紫外激光以及710nm红外激光作为驱动光，哄骗镉原子从基态5¹S₀到引发态6¹S₀的双光子共振，年夜幅加强非线性极化率，进而发生波长148.4nm的真空紫皮毛干辐射。

　　这一物理历程遵照严酷的能量守恒定律，天生的真空紫外激光频次严酷等于入射激光频次的代数以及。值患上注重的是，只管试验中应用的镉蒸汽处于550摄氏度的低温情况，原子处于剧烈的热静止状况，存正在显著的多普勒效应，但该四波混频方案揭示出了奇特的无多普勒特征。从宏观角度瞅，正在原子随动参考系中，基频光因原子静止发生的多普勒频移，正在原子辐射真空紫外光并转换回试验室参考系的历程中被准确对消。这象征着，只管介质存正在GHz量级的多普勒展宽，天生的持续波真空紫外激光的频次并未遭到展宽影响，其光谱纯度彻底承继自入射的基频激光。

　　此外，为了维持四波混频作为纯粹的参量历程并保障能量守恒，必需避免原子正在中心态产生真正的布居数堆集。要是6¹S₀态堆集了年夜量粒子，将招致缩小的自觉辐射（ASE），这不只会耗损相关能量，还会引入随机相位噪声。实践方案中经由过程引入弱小的频次掉谐解决了这一问题。经由过程将双光子引发频次绝对于6¹S₀态设定几百MHz的掉谐量，试验哄骗绝热消弭道理，有用地按捺了引发态的稳态粒子数漫衍。这类设计从物理本源上按捺了非参量历程的产生，避免了自觉辐射噪声对激光相关性的粉碎，确保了四波混频的高效举行以及相位婚配前提的波动。

　　正在试验安装的构建上，研究团队搭建了一套高度紧密的双波长激光体系。体系焦点包含两台钛蓝宝石激光器：第一台激光器输入750nm激光，经由过程内部谐振腔倍频发生375nm的紫外激光；第二台激光器间接输入710nm的红外激光。为了保障光源的频次波动性，这两台激光器被同时锁定正在一个长度为10厘米的超稳极低膨胀（ULE）光学谐振腔上。该超稳腔作为频次基准，其自身的漂浮经由过程光学频次梳与一台线宽亚Hz级另外1550nm超稳光纤激光器举行及时溯源比对，从而将两束基频激光的线宽均压抑正在1Hz摆布。

　　颠末紧密的偏振节制与光束整形，375nm以及710nm的基频光被共线聚焦进入一个长度为50厘米的特制镉蒸汽炉。炉内中间温度维持正在550摄氏度，以发生脚够密度的镉原子蒸汽。同时，炉内充入70mbar的氩气作为缓冲气体。氩气的引入具备两重要害作用：起首，它正在物理上造成维护层，避免低温金属镉蒸汽散布并固结正在高温的光学窗口上，从而延伸安装寿命；其次，氩气的色散特征供给了一个自力于温度的调治维度，用于优化介质内的相位婚配因子。经由过程精致调治氩气压力，研究职员可以或许弥补非线性历程中发生的波矢掉配，最年夜化非线性极化转换效率。天生的真空紫外激光经由过程一个特制的处于布儒斯特角的氟化镁棱镜与强基频光束完成空间别离，随落伍入真空腔室举行探测。

　　为了准确表征这类极弱真空紫外激光的相位噪声特征，试验团队开发了一种极具立异性的空间辨别零拍检测技能。因为天生的真空紫外光功率仅为nW量级，传统的探测手腕难以正在云云低的功率下提取精致的相位信息。研究职员将基频光束分束后划分注入两个彻底自力的镉蒸汽炉，发生了那两束彼此自力的真空紫外激光。这两束光随后正在电荷耦合器件（CCD）相机上以极小的夹角举行空间堆叠，造成了高比照度的空间干预干与条纹。经由过程阐发干预干与条纹的空间位置随时间的稳定，并联合永劫间暴光下的条纹可见度阐发，试验可以或许准确反上演光场的相位噪声。这类双路干预干与的设计巧妙天时用了共模按捺道理，对消了基频激光本身可能存正在的机器振动噪声，使患上丈量成果可以或许真实反应四波混频历程自身（即低温原子介质）引入的分外相位噪声。

　　试验成果标明，该安装胜利发生了功率凌驾100nW、最高可达290nW的持续波真空紫外激光。这一功率程度虽然正在相对数值上瞅似弱小，但因为其全数能量集中正在极窄的频谱规模内，其功率谱密度相比此前的脉冲光源晋升了五个数目级，到达了脚以驱动核跃迁的程度。经由过程持续调治第三束入射激光（710nm）的波长，试验完成了真空紫外激光正在146.97nm至153.7nm规模内的宽带持续调谐。正在调谐历程中，研究职员观测到了显著的物理征象：当输入波长靠近152.9nm时，因为靠近镉原子的7¹P₁中心态，三阶非线性极化率年夜幅晋升，招致输入功率共振加强了79倍。同时，试验也清楚地观测到了147.5nm相近的彻底相消干预干与点，正在该波优点因为没有同中心态孝敬的跃迁路径产生粉碎性干预干与，真空紫外辐射被彻底按捺。这一成果与包括重新计较原子布局参数的实践模子高度吻合，无力验证了实践模子的精确性。

　　正在线宽特征方面，试验经由过程扫描基频光频次测患上双光子共振的线宽约为4.4GHz。这一数值年夜于镉原子没有同同位素之间的频次位移，证明了正在天然品貌的镉蒸汽中，一切同位素均能相关地介入四波混频历程，这极年夜地升高了试验对同位素提纯样品的依赖，升高了试验本钱。最为要害的冲破正在于相关性的验证。基于空间辨别干预干与丈量的艾伦方差阐发显示，该光源正在1秒积分时间内的单束激光诱导局部频次没有波动性低至8.6×10^-17。经由过程对长暴光干预干与条纹可见度的阐发，研究团队推导出由四波混频历程引入的高频相位噪声所招致的线宽展宽下限仅为0.08Hz。这一惊人的成果象征着，只管低温原子蒸汽存正在剧烈的热静止以及高达GHz速度的原子碰撞，但这些热涨降并无粉碎光场的相关性，非线性历程关于相位噪声险些是“通明”的。终极输入的真空紫外激光的相对线宽首要受限于基频激光的波动性，正在最守旧的噪声彻底相干假定下，其线宽被肯定为26Hz。这一指标远远优于驱动固态掺钍晶体系统钍-229核跃迁所需的kHz级线宽要求，标记着相关把持原子核的光学前提曾经彻底成熟。

　　这项事情的胜利完成，为基于钍-229的核钟研制扫清了要害的技能停滞。持续波窄线宽真空紫外激光的得到，使患上迷信家们可以或许间接驱动并节制原子核的量子态，观测预期的核拉比振荡，并正在离子阱体系中完成核量子比特的紧密编码与纠缠，从而鞭策核量子光学的成长。除了了核钟使用，该光源的宽波段调谐才能以及极高的光谱纯度正在其余物理范畴也具备普遍的使用远景。正在凝聚态物理研究中，它可以作为角辨别光电子能谱（ARPES）的高辨别率探针，辅助展现拓扑资料以及低温超导体中强劲的多体联系关系效应，年夜幅晋升动量以及能量辨别率。正在量子计较范畴，该光源可用于里德堡离子的间接高能级引发，消弭传统多光子引发方案中中心态退相关的影响，显著晋升逻辑门操作的保真度。此外，该技能方案还可扩大至167.1nm波段，间接对应铝离子的激光冷却跃迁，无望简化铝离子光钟的体系庞大度并进一步晋升其丈量精度。这一结果不只是紧密丈量物理学的一项重要冲破，也为摸索原子核层面的新物理供给了强无力的东西。

　　参考文献

　　1. Xiao, Q., Penyazkov, G., Li, X. et al. Continuous-wave narrow-linewidth vacuum ultraviolet laser source. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10107-4

　　2. Xiao Q, Penyazkov G, Yu R, et al. Proposal for the generation of continuous-wave vacuum ultraviolet laser light for Th-229 isomer precision spectroscopy[J]. arXiv preprint arXiv:2406.16841, 2024.