一台以原子核为基准的钟连续运行了30小时

世界上最精确的钟，是用激光探测并计数原子内部电子的振荡。它们被用作计量学和基础物理检验的频率基准。钍-229提供了另一种“摆”：它的原子核有一个激发态，称为同质异能态（isomer），只比基态高约8.4电子伏特——低到激光足以触及。所需的光位于真空紫外波段，波长为148.4纳米。

作者表示，基于这一核跃迁的钟，对基本相互作用可能存在的变化尤其敏感，还可以帮助寻找暗物质。把钍嵌入透明的氟化钙晶体中，就能在一小块固体里获得数量庞大的吸收原子核：这是通往固态核钟的途径。

不是第一个，但在这里运行得最久

论文对前人已经做过的工作交代得十分审慎。它的参考文献列出了其他团队报道过的核荧光、直接激光激发、光频梳光谱、连续紫外激光器、吸收光谱，甚至核反馈回路。这项工作新增的，是一台在给定晶体上长时间运行的钟，以及实测光谱与钟实际输出频率之间的细致对应。

吸收是关键。团队并不等待受激原子核衰变——那是一个缓慢的过程——而是测量晶体吞掉了多少光。这样就能得到一个快速信号，表明激光是正对着谱线，还是偏在一旁。

三次倍频，抵达原子核

中国科学技术大学的Pengfei Wang、Xu-Fei Yin、Yu-Ao Chen及其同事，与中国科学院和维也纳技术大学的合作者一起，从一台稳定在超稳光学腔上的1187纳米红外激光器出发。连续三次倍频把它依次变为594纳米、297纳米，最后是148.4纳米。随后，约750皮瓦的紫外光穿过一块1.8毫米厚的掺钍晶体切片，它切自一块名为X2的晶体。X2的其他切片已在维也纳和JILA测量过。

在晶体内部，局域电场使核谱线分裂为若干分量。在一类钍格位上，团队分辨出了其中四个分量，另外还有来自第二类格位的一个较宽的共振。最强也最窄的那条谱线称为b，宽度只有83千赫——而它所处的频率约为两千万亿赫兹。

在一条谱线上锁定三十小时

为了让钟运转起来，系统探测谱线b的两翼，并大约每10秒微调一次激光频率。一台以氢钟（hydrogen maser）为参考的光频梳测量输出频率，而该氢钟已用一台锶原子钟校准。

• 反馈回路保持了30小时——共1061000个测量周期，其中只有29个被剔除。
• 团队在钟仍处于锁定状态时停止了运行：光子计数率从每秒579万降到了241万，作者将此归因于放气导致紫外透过率下降。
• 测得的谱线b频率：2,020,407,298,796.17千赫，不确定度为0.13千赫。
• 其稳定度随平均时间的增加而提高，在10000秒后达到1.24 × 10⁻¹³。
• 在另一个分量——谱线c——上进行的6.6小时第二次运行也获得了成功。

从吸收光谱读出的谱线位置与钟输出的频率在各自的不确定度范围内一致。团队在打开真空腔、重新校准光路之后又三次重启这台钟，平均频率的离散范围为1.6千赫。

同一块晶体，三个实验室

在校正温度之后，团队把他们的切片与在维也纳和JILA测量的同一块晶体的切片进行比较，得到了相同的谱线图样。但仍存在一些偏差：谱线b比维也纳的值高11.6千赫，比JILA的值高6.6千赫；谱线c则比两者都高约30千赫。作者目前还无法判断，这些偏差是来自残余的温度误差、锁定过程中的偏置，还是样品之间的真实差异。

离终点还很远

这些数字需要放在背景中看，论文也提供了背景。用作参考的氢钟与锶钟之间的比对，在相同平均时间内本身就比钍钟稳定十倍以上。不确定度预算明确是不完整的，而且在长时间运行的前14.7小时内没有记录温度。这项工作的价值在于持久性和交叉验证：一个核跃迁被锁定了一天以上，并在三个实验室中与同一块晶体的不同切片进行了比较。