钍核钟：中国在导航领域的突破

光学突破：中国晶体推动超精确核钟发展

中国科学家开发出一种新型晶体，可产生波长为145.2纳米的紫外光，使基于钍-229的核钟更接近现实。这一进展有望在无卫星信号环境下彻底改变导航技术。

核钟背后的技术

核钟利用原子核内部的振荡来计时，其稳定性比传统原子钟高出10至1000倍。原子钟中的电子容易受到温度和磁场等外部因素影响，而原子核则稳定得多。

关键在于钍-229同位素，其原子核在能量态之间的跃迁处于极低水平。激发这种跃迁需要波长约148.3纳米的激光，位于紫外光谱范围内。由于可用材料的限制，生成此类光线长期以来一直是技术难题。

新疆大学研发的一种新型氟化硼酸盐晶体，能将标准激光转化为破纪录的145.2纳米紫外辐射——超越了此前150纳米的纪录。这一突破为小型化、高精度计时设备奠定了基础。

在导航系统中的应用

在卫星信号不可用或被干扰的情况下，摆脱对GPS的依赖至关重要。航位推测法（通过速度、方向和时间推算位置）依赖于精确计时，并可借助恒星、脉冲星或无线电信号等天体参考进行辅助。

• 水下作业：深海长时间任务无需浮出水面校正GPS。
• 太空任务：航天器在深空实现自主导航。
• 弹道系统：抵御电子干扰。
• 陆地应用：在隧道或电磁干扰严重的环境中实现可靠定位。

这类时钟将大幅提升系统的自主性，降低被探测风险，并在长时间内保持米级精度。

研发背景与全球意义

美国、中国和欧洲自21世纪初便开始对钍-229展开研究。过去面临的障碍包括光源不稳定和频率转换效率低下。新晶体解决了其中多个问题，使便携式核钟离实际部署更近一步。

这一进展得益于非线性光学材料的发展，这些材料能够实现激光频率转换。对产业而言，这意味着导航技术将迎来变革——时间精度直接决定定位准确性。在全球范围内，这增强了各国对脆弱卫星网络的战略独立性。

更广泛的意义在于：尽管原子钟已广泛应用于通信和计量领域，但核钟的性能预计可提升十倍。专家预测，未来5到10年内将实现全面应用，对国防、太空探索和民用导航产生重大影响。

核心要点

• 该晶体发射145.2纳米紫外光，非常接近激发钍-229所需的148.3纳米。
• 核钟比原子钟精确10–1000倍，且对外界干扰具有极强抗性。
• 借助此类时钟的航位推测法可在水下、太空及信号受干扰环境中实现无GPS导航。
• 此项突破加剧了全球在精密技术领域的竞争。
• 在战略和商业领域均具备高度自主系统应用潜力。

— Editorial Team