GPS导航、电网调度、金融交易，都离不开原子钟。而科学家正在追求的“核钟”，比现有最准的原子钟还要稳定十倍以上——它直接利用原子核内部的能级跃迁，不受外界电磁场干扰。

在众多候选核素中，钍-229（²²⁹Th）堪称“天选之子”。它的核激发态能量极低（约8.4 eV，对应真空紫外波段），可以用激光直接操控——这是其他原子核做不到的。但要造出实用的固态核钟，需要把钍离子掺杂到透明晶体（如氟化钙CaF₂）中，做成“核钟芯片”。问题随之而来：钍离子挤进钙离子的“座位”后，周围电场会像不均匀的磁场一样把核能级“劈裂”开（四极分裂），产生多个频率峰，而且钍离子会占据不同种类的“座位”，让情况变得异常复杂。

日本冈山大学Takahiro Hiraki教授与奥地利维也纳工业大学Thorsten Schumm教授团队，用一招“激光穆斯堡尔谱”技术，首次在真空紫外波段对掺杂在CaF₂晶体中的²²⁹Th核进行了高精度探测。成果于2026年8月20日发表于《科学》。

他们分辨出钍离子在CaF₂晶体中的4种不同“座位”，精确测量了每个“座位”周围的电场梯度，并还原出两种最主要“座位”的原子级结构图像。这项工作为固态核钟的材料选择和设计提供了关键数据。

为什么²²⁹Th是“天选之子”？

²²⁹Th有一个独特的低能核异构体（²²⁹ᵐTh），激发能量仅约8.4 eV。绝大多数原子核的激发能都在keV甚至MeV量级，需要用高能粒子或同步辐射激发。唯独²²⁹Th可以用真空紫外（VUV）激光直接操控。

核钟相比原子钟的核心优势在于：原子钟受外界电磁场干扰大，而原子核被电子云“屏蔽”了，对环境扰动极不敏感。理论上，核钟的稳定度可以比现有最先进的原子钟高出一个数量级以上。

但固态核钟有一个核心挑战：²²⁹Th²⁺/³⁺掺杂到CaF₂晶体中时，离子半径、价态与Ca²⁺不匹配，会在晶格中形成多种缺陷构型（即不同的“座位”）。不同“座位”的局部电场环境不同，会把核能级“劈裂”成不同模式，导致钟跃迁频率出现多个“旁支”。

用“激光穆斯堡尔谱”给核钟拍“CT”

穆斯堡尔谱技术是诺贝尔物理学奖级的方法（1961年诺贝尔奖），基于原子核γ射线无反冲共振吸收，能以极高的能量分辨率探测原子核周围的局部环境。团队将这项技术从γ射线波段拓展到光学波段：用窄线宽VUV激光（波长约148 nm，线宽仅30 MHz）直接激发²²⁹Th的核跃迁，相当于用一束“超纯的激光笔”逐点扫描核能级。

这套激光系统的精妙之处在于：先用两台外腔二极管激光器产生种子光，注入钛宝石激光器放大，再通过非线性频率转换和氙气中的四波混频，最终得到148 nm的VUV激光。同时，²²⁹Th本身具有放射性，会持续产生“辐射发光”背景噪声。团队设计了抛物面镜和光电倍增管的时间符合滤波——只记录与激光脉冲同步的信号，将微弱核信号从强噪声中“捞”出来。

Figure 1（实验装置与激光系统示意图）

四个“座位”全部被“看清”

发现了4种不同的掺杂位点。其中位点1和位点2是最主要的两种构型。

位点1：电场梯度为零（对称性极高），信号最强，激光淬灭效率最高——这是固态核钟最理想的“座位”候选。对应一个²²⁹Th离子取代Ca²⁺位点、无局域补偿原子的缺陷构型。

位点2：电场梯度不对称参数η≈0.6，对应两个钍原子占据最近邻Ca位点形成的二聚体簇构型。STEM成像证实了钍离子在晶体中倾向于“扎堆”占据最近邻位置。

Figure 2

研究意义

为固态核钟的材料设计指明了方向。

以前科学家只知道CaF₂晶体里掺杂²²⁹Th能做成核钟，但不知道钍离子到底“住”在哪几种“房间”里、每种“房间”的电磁环境如何、哪个“房间”最适合做核钟。团队的工作相当于给这块材料做了一次原子级的“CT扫描”，画出了“房间分布图”和“环境参数表”。

位点1因其高对称性、零电场梯度，是制造最优固态核钟的首选“座位”。位点2及其他位点的信息则为理解系统误差、设计温度补偿方案提供了关键数据。

论文信息：Laser Mössbauer spectroscopy of ²²⁹Th in CaF₂，Science，2026，DOI: 10.1126/science.aea7978

总结：

VUV激光穆斯堡尔谱→发现²²⁹Th在CaF₂中的4种掺杂位点→确定电场梯度与微观结构→位点1（零EFG）为最优核钟候选→为固态核钟材料设计提供关键数据。