跳到正文
返回核结构
至真探索 · 核结构

核量子传感器-从单核自旋到核钟

2026-07-26

2025年，代尔夫特理工的团队把一颗扫描隧道显微镜的针尖悬在单个钛原子上方，测到了那个原子核的自旋状态。不是一束原子，不是一团。一个。读一次只需要几毫秒，结果98%是准的。那个原子核在针尖下面待了五秒多，自旋才翻过去——比同一个原子的电子自旋长了一千万倍。

核自旋长到这个地步，你很难忍住不用它。

用它来干什么？任何跟磁场、时间、基本力有关的事，核自旋都有用。原子核的磁矩比电子小两千倍，所以它对环境噪声不敏感——这是它寿命长的原因，也是它做传感器的根本优势。但小磁矩也意味着信号弱。过去十年，整个领域在解决同一个问题：你怎么把核自旋那么弱的信号读出来，同时保留它的长寿命。

答案不止一个。

最快的路线是用电子做中介。金刚石里有一个叫NV色心的缺陷——一个氮原子挨着一个空位——它的电子自旋可以用绿光初始化、用微波操控、用红光读出。这个电子自旋还能感受到周围核自旋的磁场，通过超精细相互作用把核信号转成自己能读出的形式。2025年，中国科大的杜江峰和王亚组在《自然》上发了一篇文章：他们把两颗靠得只有5纳米的NV电子自旋做成纠缠态，灵敏度比单颗NV高了3.4倍，空间分辨率高了1.6倍。纠缠不只是量子信息的玩具——在传感里，它帮你压掉共同的噪声，只放大近处那个目标。

同期的《自然》上还有另一篇。普林斯顿和伯克利的组用了NV对中间夹的一颗碳-13核自旋做第三量子比特。这颗核自旋不发光、不发热、不跟环境说话，但它记住了电子对感受不到的磁场细节。加了它之后，读出的噪声对灵敏度的拖累从平方关系变成了线性关系——听上去不惊天动地，但在现实实验里，这意味着十个量级的好转。

NV色心不是唯一的平台。硅中的磷施主核自旋读出保真度超过了99.8%，是固态量子比特里的最高纪录。普渡大学的李统藏组在六方氮化硼里用碳离子造出了缺陷，室温下对单核自旋的操控保真度做到了99.75%，退相干时间162微秒。六方氮化硼的好处是能做得比金刚石薄得多——你可以把它贴到单个分子旁边，测它里面的原子核。

还有一个路线不需要固体。CERN的ISOLDE装置把放射性原子加速、极化、注入样品，然后通过发射的β粒子读出核自旋方向。这叫β-NMR。2024到2025年，他们装了一台4.7特斯拉的超导磁体，分辨率提高了15倍，达到ppm级。他们用含225镭的放射性分子第一次看到了原子核内部的磁化分布——之前没人做到过的事。

最直接的核传感器是一条核跃迁。钍-229的原子核在8.4电子伏处有一个异构态——这在核能级里是一个离谱的低值，对应的波长148纳米正好在真空紫外区。一个激光器就可以激发的"核钟"。2024年JILA的团队在《自然》封面发表了首次频率精度的核跃迁测量，把核共振频率跟锶光钟做了比对，精度到了12位有效数字。2025年他们又发现了一个跃迁分量从150K到293K只漂移了62千赫兹——比别的好30倍。温度控制到5微开尔文，就能做到10⁻¹⁸的精度。这就是一个固态核钟的蓝图：搬得动，稳得住，对基本常数的变化比任何原子钟都敏感一千倍。

敏感多少？精细结构常数α每变化一点，这个核跃迁的频率变化是原子钟的5900倍。不是纯理论——这个增强因子是2025年维也纳、EPFL、科罗拉多和特拉华的联合组算出来的。所以如果α真的在变——不管是从暗物质耦合来的，还是时空本身在变——钍-229核钟会最先看到它。JILA的组用钍核光谱已经把质量10⁻²¹到10⁻¹⁹电子伏的极轻暗物质压到了Mega-Planck标度——实验物理学触及的最高能量尺度。

但事情没有这么简单。

核钟最大的变数不是激光——是晶体。钍离子掺在氟化钙晶格里的寿命只有1740秒，比理论预测的自由空间值短了一个量级。氧化钍薄膜里更短：内转换让它缩到了10微秒。是晶体环境在淬灭，还是表面效应在漏，还是掺杂本身改变了核的电子环境——没人确定。理论家吵了起来。用液滴模型估算的和用微观核理论算的结论不一样——这被一些人叫做"核钟噩梦"。这不是坏事。争议说明实验已经走到了理论的前面，逼着理论家回到核结构的基础问题上去。

中国在这个领域的位置值得单独说。

量子传感整体上中国不弱。中国科大的彭新华和江敏组在核自旋矢量磁强计上做到了10⁻¹¹特斯拉的灵敏度，比之前好了五个量级，在《物理评论快报》上发表后还登了《物理学报》的封面。他们在惰性气体核磁共振自旋相互作用搜索中把上限压低了17个量级——这类工作的世界纪录。北京大学的郭弘组的SERF原子磁力计做到了2飞特斯拉每根号赫兹。清华大学的尤力组在玻色-爱因斯坦凝聚量子增强传感中实现了16.6分贝的自旋压缩，世界纪录。

但是在钍-229核钟上，中国没有实验。不是没有理论——增强因子计算里有中国名字，但到"搭一套VUV激光系统、掺一颗钍离子、测一次核共振"这一步，还没人做。慢了JILA和PTB大约两到三年。这可能是资金方向的偏向——NV色心中国做得非常好，但核钟需要更长周期、更大投入、更偏物理而不是应用。

还有一个争议藏在数字里。

中国科大组报告的纠缠增强是3.4倍。理论上海森堡极限可以到3.9倍。是设备不够好，还是纠缠本身有固有损失，还是NV对的间距控制还没到极限？再往前一步，从3.4到3.9是技术问题，但跨越这个数字需要新的物理理解。没人写文章说这个，但它就在那里。

宏观核自旋系综的压缩也是一个类似的故事。波士顿大学和威斯康星的组从理论上证明，在参数调制的谐振电路中，宏观核自旋系综可以实现7分贝的自旋压缩。问题是把这么大一团核自旋初始化到够纯、读出到够准，实验上还没做到。理论先跑了两步，实验还在追。

如果你把所有这些放在一起看，画面是这样的：过去两年，核自旋从一个"保真度高的量子比特"变成了一个"能测别人测不了的事的传感器"。NV色心给了它纳米尺度的空间分辨率，钍-229核钟给了它对基本常数无与伦比的敏感度，β-NMR给了它看清原子核内部的能力，扫描隧道显微镜给了它单个原子的极限。

但这三步之间还没有打通。NV色心做不了时间基准，核钟做不了空间扫描，β-NMR离不开加速器。把这些平台的长处拼成一张统一的核传感地图——谁在什么时候用什么工具——是这个领域接下来要回答的问题。

*参考文献*

  1. Zhou, X. et al. (Du & Wang groups, USTC/Zhejiang Univ.), "Entanglement-enhanced nanoscale single-spin sensing," *Nature* 647, 883–888 (2025).
  2. Rovny, J. et al. (Kolkowitz & de Leon groups, Princeton/UC Berkeley), "Multi-qubit nanoscale sensing with entanglement as a resource," *Nature* 647, 876–882 (2025).
  3. Wang, Z. et al. (MIT), "Cavity-enhanced solid-state nuclear spin gyroscope," *Phys. Rev. Lett.* 134, 183603 (2025).
  4. Rovny, J. et al., "Nanoscale diamond quantum sensors for many-body physics," *Nature Reviews Physics* 6, 753–768 (2024).
  5. Xin, T., Zhang, K. & Li, J., "A quantum-enhanced magnetometer using a single high-spin nucleus in silicon," *Chin. Phys. B* 33, 090302 (2024).
  6. Zhang, Q. et al. (Li T. group, Purdue Univ.), "Single nuclear spin detection and control in a van der Waals material," *Nature* 643, 943–949 (2025).
  7. Vetter, M. et al. (Otte lab, Delft/KIT), "Single-shot readout of the nuclear spin of an on-surface atom," *Nat. Commun.* 16, 7785 (2025).
  8. Vetter, M. et al., "Coherent spin dynamics between electron and nucleus within a single atom," *Nat. Commun.* 15, 7951 (2024).
  9. Wilkins, S. et al. (Jyvaskyla/EPFL/CERN ISOLDE), "Nuclear magnetization distribution measured from radioactive molecules," *Science* (23 Oct 2025).
  10. Jankowski, M. et al. (CERN ISOLDE), "Fully upgraded β-NMR setup at ISOLDE for high-precision high-field studies," arXiv:2410.00186 (2024).
  11. Tiedau, J. et al. (PTB/Vienna), "Laser excitation of the Th-229 nucleus," *Phys. Rev. Lett.* 132, 182501 (2024).
  12. Zhang, C. et al. (Ye group, JILA/NIST), "Frequency ratio of the Th-229 nuclear clock transition," *Nature* (cover) 633, 310–314 (2024).
  13. Elwell, R. et al. (JILA/MIT), "Laser-based conversion electron Mossbauer spectroscopy of ²²⁹ThO₂," *Nature* 648, 300–305 (2025).
  14. Elwell, R. et al., "Temperature sensitivity of a thorium-229 solid-state nuclear clock," *Phys. Rev. Lett.* (2025, Editor's Choice).
  15. Arakawa, D. et al. (JILA), "Mega-Planck-scale bounds from nuclear clock spectroscopy," arXiv:2602.16804 (2026).
  16. Banks, H., Fuchs, E. & McCullough, M. (CERN), "Single-photon nuclear interferometry," *Phys. Rev. D* 114, (2026).
  17. Degen, C. L., Reinhard, F. & Cappellaro, P., "Quantum sensing," *Rev. Mod. Phys.* 89, 035002 (2017).
  18. Cappellaro, P. et al. (MIT), "DDrf framework for electron-nuclear quantum gates," *PRX Quantum* 6, 020309 (2025).
  19. Ivády, V. et al., "Real-space hyperfine tensor calculations for quantum sensing," *Commun. Phys.* 7, 178 (2024).
  20. Boyers, E., Goldstein, G. & Sushkov, A. (Boston Univ./Wisconsin), "Spin squeezing in macroscopic nuclear ensembles," *Phys. Rev. D* 111, 052004 (2025).
  21. Candido, D. & Flatté, M. (Iowa Univ.), "Surface charge noise theory for spin qubits," *Phys. Rev. B* 110, 174450 (2024).
  22. Peng, X. & Jiang, M. (USTC), "Nuclear spin vector magnetometry at 10⁻¹¹ T," *Phys. Rev. Lett.* (2025); *Rep. Prog. Phys.* (2025).
  23. Guo, H. et al. (PKU), "SERF atomic magnetometer at 2 fT/Hz¹/²," *Phys. Rev. Applied* (2024).
  24. You, L. et al. (Tsinghua), "16.6 dB spin squeezing in BEC quantum enhanced sensing," world record (2025).
  25. Liu, G. et al. (IOP CAS), "High-pressure NV quantum sensing at 143 GPa," *National Science Review* (2025); *Phys. Rev. Lett.* (2025).
  26. Engel, J. (Columbia Univ.), "Quantum sensing of CP violation in nuclei," *Annu. Rev. Nucl. Part. Sci.* 75, (2025).
  27. Doser, M. et al. (CERN DRD5), "Quantum sensing for particle physics," *Nature Reviews Physics* 6, 329–339 (2024).
  28. Bass, S. & Doser, M., "CERN DRD5 collaboration roadmap for quantum sensors," *Nat. Rev. Phys.* (2024).