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近日，清華大學(xué)副教授、北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡稱“北京量子院”）兼聘研究員丁世謙團隊在連續(xù)波真空紫外光源方面取得重大突破，成功研制出148 nm連續(xù)波超窄線寬激光光源，攻克了核光鐘研制的“最后一個核心瓶頸”。

該光源在目標波段輸出功率超過100 nW，線寬遠低于100 Hz，且在140至175 nm區(qū)間具備連續(xù)可調(diào)諧能力。與此前已報道的單頻真空紫外光源相比，其線寬降低了近百萬倍，可滿足釷-229核光鐘研制與核躍遷量子相干操控的核心需求。2026年2月11日，相關(guān)成果以“連續(xù)波窄線寬真空紫外激光光源(Continuous-wave narrow-linewidth vacuum ultraviolet laser source)”為題，在線發(fā)表于《自然》（Nature）期刊。

光鐘提供了最精確的時間頻率基準，在導(dǎo)航與基礎(chǔ)物理規(guī)律檢驗等方向具有重要戰(zhàn)略價值。原子光鐘以電子躍遷為參考，對外界電磁環(huán)境較為敏感，且依賴超高真空、激光冷卻與囚禁等復(fù)雜實驗裝置，制約了其在實驗室外的推廣應(yīng)用。近兩年，核光鐘研究快速發(fā)展，提出以釷-229原子核在148 nm真空紫外波段的低能核躍遷為基準。以核躍遷替代電子躍遷，有望帶來光鐘原理層面的范式升級。原子核處于原子內(nèi)部、尺度極小，與外界電磁場的相互作用相對更弱，因此對環(huán)境擾動更不敏感，使得核光鐘兼具極高精度、強抗環(huán)境擾動能力以及便攜可工程化潛力，被普遍認為是當(dāng)今量子精密測量領(lǐng)域的戰(zhàn)略性前沿方向。

核光鐘研制的關(guān)鍵瓶頸在于缺乏148 nm連續(xù)波激光。為此，美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2025年啟動SUNSPOT計劃，面向148 nm連續(xù)波光源開展專項攻關(guān)。丁世謙團隊突破主流的非線性晶體路線，從理論上提出基于金屬蒸氣四波混頻的連續(xù)波真空紫外產(chǎn)生方案，在美國SUNSPOT計劃立項前即率先在實驗上實現(xiàn)了148 nm連續(xù)波輸出，并將線寬較此前單頻真空紫外激光降低了近六個數(shù)量級。該成果將為釷-229核躍遷的高分辨譜學(xué)與量子相干操控提供關(guān)鍵光源支撐，補齊了核光鐘研制的最后一塊拼圖。

值得一提的是，研究團隊開發(fā)了在極低激光功率條件下仍可穩(wěn)定工作的相位探測方法，并從實驗上發(fā)現(xiàn)熱金屬蒸氣中GHz量級的多普勒與碰撞展寬并不會在四波混頻過程中引入額外的相位噪聲。這一發(fā)現(xiàn)表明，輸出真空紫外光場的相干性主要受基頻激光穩(wěn)定度支配，從而將超穩(wěn)激光技術(shù)拓展至真空紫外波段，也為面向其他關(guān)鍵波長與更高性能指標的相干真空紫外光源的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

該光源平臺具備連續(xù)波運行、相干性優(yōu)異和寬范圍可調(diào)諧等特點，除服務(wù)核光鐘外，還可作為通用真空紫外相干光源平臺，支撐鋁離子原子光鐘等量子精密測量研究，并服務(wù)量子信息相關(guān)實驗、凝聚態(tài)角分辨光電子能譜及高分辨真空紫外譜學(xué)等前沿應(yīng)用。面向半導(dǎo)體關(guān)鍵材料與工藝的真空紫外計量與機理研究需求，該平臺有望推動高端測試表征裝備與關(guān)鍵部件的自主可控，增強產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)韌性。

該論文共同第一作者為清華大學(xué)2021級本科生肖琦、2023級博士研究生Gleb Penyazkov和北京量子院助理研究員李相良，通訊作者為清華大學(xué)副教授、北京量子院兼聘研究員丁世謙。清華大學(xué)教授莫宇翔、中國計量科學(xué)研究院研究員林弋戈，與清華大學(xué)教授、北京量子院兼聘研究員尤力等為本工作作出重要貢獻。該研究得到國家自然科學(xué)基金、北京市科技計劃和清華大學(xué)“篤實計劃”的支持。