記者4月14日從中科院精密測量院了解到，該院研究團隊成功研制不確定度達3×10-18的鈣離子光頻標，即105億年偏差不到1秒，使我國擁有了國際上第五種不確定度指標達到10-18量級的光頻標。相關成果近日在《應用物理評論》上發表。
當前世界測量精度最高的物理量是光頻，最高精度已達10-18量級。其中原子光頻標是光頻精密測量的典型代表，是目前準確度最高的原子頻標。截止目前，國際上僅有鍶原子光頻標(美國天體物理聯合實驗室JILA、日本東京大學)、鐿原子光頻標(美國國家標準與技術研究院NIST)、鋁離子光頻標(NIST)、以及鐿離子光頻標(德國聯邦物理技術研究院PTB)等四種原子光頻標的不確定度達到了10-18量級。
中科院精密測量院高克林研究團隊解決了黑體輻射頻移、多普勒頻移、微運動效應、電四極頻移等影響鈣離子光頻標不確定度的關鍵物理問題與技術難題。其中，研究人員將離子阱置于液氮低溫環境中(78 開爾文)，液氮容器采用導熱性良好的無氧銅材料，以及在液氮容器與真空腔間加入頂針等設計，極大地降低了離子阱在豎直與水平方向上的移動。
同時，通過兩束相向的鐘躍遷探測激光間的頻率比對，精確評估了由離子阱微小移動造成的一階多普勒頻移，通過微運動三維邊帶譜的方法每天對離子微運動進行優化與評估，以降低液氮容積變化對離子阱內剩余電場的影響。此外，還通過設置特定的主磁場方向以降低液氮容積變化對鐘躍遷電四極頻移的影響等，最終在國際上首次實現了液氮低溫鈣離子光頻標，不確定度達到3×10-18。
據介紹，高克林團隊從2000年開展鈣離子光頻標的實驗研究，通過解決抑制離子運動效應、解決超窄線寬激光、實驗環境影響精確控制等一系列關鍵科學和技術問題，于2011年成功研制國內首臺光頻標，不確定度為7.8×10-16，通過改進鐘躍遷激光性能、采用魔幻囚禁場抑制微運動效應，2016年將光頻標的不確定度提升至5.1×10-17，通過實驗上精確測量魔幻囚禁場頻率，獲得的鐘躍遷靜態極化率之差，2019年將鈣離子光頻標的不確定度提升至1.3×10-17。
相關科研人員表示，在基礎研究領域，光頻標極低的不確定度有助于提高基本物理量定義、基本物理常數測量和基本物理定律檢驗等的精度，以及推進新物理的發現。在應用研究領域，在時間基準、相對論大地測量、導航定位等方面具有廣泛的應用場景。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034041
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