【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京量子信息科學(xué)研究院兼聘研究員、清華大學(xué)副教授丁世謙團(tuán)隊(duì)在連續(xù)波真空紫外光源方面取得重大突破，成功研制出148nm連續(xù)波超窄線寬激光光源，首次將超穩(wěn)激光技術(shù)推進(jìn)至真空紫外波段，攻克了核光鐘研制的“最后一個(gè)核心瓶頸”。該光源在目標(biāo)波段輸出功率超過100nW，線寬遠(yuǎn)低于100Hz，且在140至175nm區(qū)間具備連續(xù)可調(diào)諧能力。與此前已報(bào)道的單頻真空紫外光源相比，其線寬降低了近百萬(wàn)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)表于國(guó)際頂尖期刊《自然》(Nature)，美國(guó)物理學(xué)會(huì)(APS)旗下Physics雜志(Physics Magazine)同期在Viewpoint欄目刊發(fā)評(píng)論文章專題解讀。
光鐘提供了最精確的時(shí)間頻率基準(zhǔn)，在導(dǎo)航與基礎(chǔ)物理規(guī)律檢驗(yàn)等方向具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。原子光鐘以電子躍遷為參考，對(duì)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(shí)驗(yàn)裝置，制約了其在實(shí)驗(yàn)室外的推廣應(yīng)用。近兩年快速發(fā)展的核光鐘研究提出，以釷-229原子核在148nm真空紫外波段的低能核躍遷為基準(zhǔn)，以核躍遷替代電子躍遷，有望帶來(lái)光鐘原理層面的范式升級(jí)。由于原子核尺寸與電磁極矩遠(yuǎn)小于原子，核躍遷對(duì)外部擾動(dòng)顯著不敏感，使得核光鐘兼具極高精度、強(qiáng)抗環(huán)境擾動(dòng)能力以及便攜可工程化潛力，被普遍認(rèn)為是當(dāng)今量子精密測(cè)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148nm連續(xù)波激光。為此，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)于2025年啟動(dòng)SUNSPOT計(jì)劃，面向148nm連續(xù)波光源開展專項(xiàng)攻關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)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(guó)SUNSPOT計(jì)劃立項(xiàng)前即率先在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)148nm連續(xù)波輸出，并將線寬較此前單頻真空紫外激光降低近六個(gè)數(shù)量級(jí)。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(bǔ)齊了核光鐘研制的最后一塊拼圖。
值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)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(cè)方法，并從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)熱金屬蒸氣中GHz量級(jí)的多普勒與碰撞展寬并不會(huì)在四波混頻過程中引入額外相位噪聲。這一發(fā)現(xiàn)表明，輸出真空紫外光場(chǎng)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(zhǎng)與更高性能指標(biāo)的相干真空紫外光源進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
該光源平臺(tái)具備連續(xù)波運(yùn)行、相干性優(yōu)異和寬范圍可調(diào)諧等特點(diǎn)，除服務(wù)核光鐘外，還可作為通用真空紫外相干光源平臺(tái)，支撐鋁離子原子光鐘等量子精密測(cè)量研究，并服務(wù)量子信息相關(guān)實(shí)驗(yàn)、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(jì)量、芯片檢測(cè)與機(jī)理研究需求，該平臺(tái)有望推動(dòng)高端測(cè)試表征裝備與關(guān)鍵部件的自主可控，增強(qiáng)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(jí)本科生肖琦、2023級(jí)博士研究生Gleb Penyazkov和北京量子院助理研究員李相良，通訊作者為北京量子院兼聘研究員、清華大學(xué)副教授丁世謙。清華大學(xué)教授莫宇翔、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究員林弋戈與北京量子院兼聘研究員、清華大學(xué)教授尤力等為本工作作出重要貢獻(xiàn)。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃和清華大學(xué)“篤實(shí)計(jì)劃”的支持。
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