在国家自然科学基金项目（批准号：12341401、12274253、92265205、12504306、92565202）等资助下，清华大学副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦团队成功研制出148 nm连续超窄线宽激光光源，首次将超稳激光技术拓展至真空紫外波段，攻克了核光钟研制的核心瓶颈。相关成果以“连续窄线宽真空紫外激光光源（Continuous-wave narrow-linewidth vacuum ultraviolet laser source）” 为题，于 2026 年 2 月 11 日在线发表于《自然》（Nature）期刊，文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10107-4。
光钟是当前精度最高的时间频率基准，在导航定位、基础物理检验等领域具有重要战略价值，但传统原子光钟易受电磁干扰、装置复杂，难以室外规模化应用。近年来，以钍-229原子核低能核跃迁为基准的核光钟发展迅速，其抗环境干扰能力强，兼具高精度和高稳定性，成为量子科技领域的前沿方向。
钍-229核光钟的核心技术瓶颈在于缺少合格的148 nm连续超窄线宽激光光源。丁世谦研究团队另辟蹊径，绕开主流非线性晶体技术路线，从理论原理层面创新性提出基于金属镉蒸气四波混频的连续波真空紫外产生方案。研究团队自主开发出在极低激光功率条件下仍可稳定运行的高精度相位探测方法，并通过实验首次发现：热金属蒸气中GHz量级的多普勒展宽与碰撞展宽，不会在四波混频过程中引入额外相位噪声。这一发现揭示，输出真空紫外光场的相干性主要由基频激光的稳定度支配，为超稳激光技术向真空紫外波段的拓展提供了关键理论与实验依据，首次在实验中实现148 nm连续波激光输出。该光源在目标波段输出功率突破100 nW，线宽远低于100 Hz，且具备140至175 nm区间连续可调谐能力。相较于此前已报道的单频真空紫外光源，其线宽降低近六个数量级，可全面满足钍-229核光钟研制与核跃迁量子相干操控的核心需求。
该研究工作攻克了钍-229核光钟研制的“最后一个核心瓶颈”。除此之外，该激光器还可作为通用型真空紫外相干光源平台，服务于铝离子原子光钟等量子精密测量研究，同时赋能量子信息相关实验、凝聚态角分辨光电子能谱、高分辨真空紫外谱学等多个前沿领域的应用探索，并有望推动高端测试表征装备与关键部件的自主可控发展。
图 四波混频产生连续窄线宽真空紫外激光示意图
虽然核光钟概念并不新鲜，但数十年来一直停留在纸面，关键瓶颈在于缺乏148nm连续波激光。为此，美国国防高级研究计划局（DARPA）于2025年启动SUNSPOT计划，面向148nm连续波光源开展专项攻关。丁世谦团队另辟蹊径，突破了主流的非线性晶体路线，从理论上提出基于金属蒸气四波混频的连续波真空紫外产生方案，在美国SUNSPOT计划立项前即率先在实验上实现了148nm连续波输出，并将线宽较此前单频真空紫外激光降低了近六个数量级，补齐了核光钟研制的最后一块拼图！
2025年5月12日晚上10时许，清华大学物理系地下三层一间不起眼的实验室里，当电脑上闪现出一排轻轻跃动的干涉条纹，丁世谦和团队成员的激动之情难以言表。这意味着他们几个月前研制的148纳米连续波激光具有极高的光谱纯度，从而补齐了核光钟研制中的“最后一块拼图”。这束光或将彻底改变未来人类计量时间、感知世界的方式。研制这束激光的，正是清华大学物理系副教授、北京量子信息科学研究院（以下简称“北京量子院”）兼聘研究员丁世谦和他平均年龄不到30岁的年轻团队。
这“一束光”可顶天立地
“什么是核光钟？它是一种以钍-229原子核跃迁为基准的新型光钟，你可以把它理解为一个稳定性极高的计时器。”丁世谦解释，目前已问世的最精确的计时器是原子钟，是利用原子核外的电子跃迁作为“钟摆”，但电子质量极轻，极易受外界电磁场干扰，这导致原子钟难以搬出实验室，极大限制了其实际应用。而核光钟基于原子核跃迁，原子核质量比电子重十万倍，体积小几十万倍，因而对外界干扰极不敏感。理论上，核光钟测量精度能达10-19以上，通俗理解，在3000亿年的时间尺度上误差不会超过1秒。
丁世谦介绍，核光钟是国际前沿科技竞争的战略性方向。不过，二十多年来其研究一直停留在纸面，核心瓶颈之一在于缺乏能够操控钍-229原子核的148纳米连续波激光。而丁世谦团队的工作正是攻克了这个关键性的问题——他们突破了主流的非线性晶体路线，改用镉蒸气四波混频新方案，成功研制出了148纳米连续波超窄线宽真空紫外激光光源。
这项成果的意义，丁世谦用“顶天立地”来形容：“‘顶天’是指它的基础前沿性，我们第一次有望用激光去相干地操控原子核，这是一片全新的、未开垦的物理疆域，也为其他领域的基础研究提供一个更加高精度的工具；‘立地’则是指它比较接地气，作为一个通用的真空紫外激光平台，有明确的应用前景。”
团队经历了“死磕”之旅
这项领跑全球、引起广泛关注的研究，诞生于一支平均年龄不到30岁的年轻团队。回顾研发过程，丁世谦总结：除了方向判断和技术积累之外，更离不开探索未知的勇气、长期坚持的韧劲，以及一点科研中的“运气”。
早在2018年，丁世谦就重点关注核光钟方向。彼时，这一领域由于挑战极大，少有人涉足。2020年丁世谦毅然选择了这一高风险研究方向，并凭借相关研究计划获得清华大学的聘任机会。“光钟光钟，激光是最核心的部件。能够实现激光操控原子核，这太有吸引力了，我们就一头扎了进去。”
从2022年产生想法，团队花了两年时间进行理论计算，最终锁定了基于金属镉蒸气四波混频的连续波真空紫外产生方案。曾经，他们经历了长达四个月的“至暗时刻”：所有条件都准备好了，就是做不出光来。但团队没有放弃。直到2025年1月25日的晚上，那束梦寐以求的光终于出现。到当年5月12日，团队又进一步验证激光的光谱纯度，光钟激光终于有了明确的技术路线。
今年2月，团队相关成果发表于国际顶尖期刊《自然》。论文完成时，第一作者肖琦还没有本科毕业。谈及为什么敢让本科生挑大梁，丁世谦说：“一开始团队成员人数不多，其他成员都有其他具体任务。肖琦有想法、有热情，而且初生牛犊不怕虎。我们就像找到了正确的地方下铲子，结果就挖到了‘金矿’。”
创新生态助他们大展拳脚
一个没有“人才帽子”的青年学者，为什么能带领团队实现如此重大的突破？丁世谦认为，这离不开北京对基础研究的重视，以及像北京量子院这样的新型研发机构提供的灵活支持。“懂行的领导是关键。”丁世谦说，“北京量子院不少领导是世界级的顶尖科学家，具有丰富的一线研究经验，他们能敏锐地意识到这项研究的重要性，及时给予大力支持。”
作为北京量子院的兼聘研究员，丁世谦团队得到了资金和设备等多方面的支持。一开始团队只有四五个人，且多为清华大学的学生，缺乏具有实战经验的工程师等力量。于是，北京量子院广纳人才，将丁世谦团队扩充到十余人。而在北京量子院“兼职”，也让丁世谦有机会与物理、光学、电子工程等多领域专家紧密协作，推动科学理论快速向实验转化。
对于在北京做基础研究，丁世谦的感触很深：“政府当前对基础研究的重视程度，无论纵向的历史对比，还是横向的国际对比，都是罕见的。北京更是各种支持政策不断，而且这里能吸引全国乃至全球的人才，这是北京独特的创新生态。对于我们这样的年轻团队来说，可以大展拳脚，无疑是我们能做成事的关键因素。”
