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近日，精密測量院高克林、管樺研究團隊成功研制出不確定度達4.8×10-18的室溫鈣離子光鐘，為下一步實現10-18量級的可搬運鈣離子光鐘打下了堅實基礎。相關研究成果近期發表在國際學術期刊《物理評論應用》(Physical Review Applied)上。
實現高精度的可搬運光鐘是實現光鐘應用的關鍵和必要條件。國際計量局于2017年提出了參考光鐘重新定義秒的路線圖，其中一項條件是不同光鐘間的頻率比值的吻合度優于5×10-18，將高精度光鐘搬運到各個實驗室進行頻率比對是重要的方法之一。在相對論大地測量學應用方面，1×10-18的光鐘不確定度對應于約1厘米的高程差，利用不確定度達到或優于10-18量級的光鐘進行比對有望實現厘米級或亞厘米級的高程差測量，為高程測量提供新的方案。同時，可搬運光鐘應用于新一代綜合PNT體系建設中，可顯著提高體系的綜合性能指標。
研究團隊此前研制出一臺不確定度1.3×10-17的可搬運鈣離子光鐘，并搬運到中國計量科學研究院的北京昌平院區，實現了10-16量級的鈣離子光鐘絕對頻率測量。在2021年3月19日召開的第22屆CCTF會議上，該團隊測量的鈣離子光鐘絕對頻率值第四次被采納，2022年4月13日，國際計量局正式采納鈣離子光頻躍遷為新增的次級秒定義參考。
限制鈣離子光鐘不確定度進入10-18的主要因素為黑體輻射頻移不確定度(BBR shift uncertainty)。黑體輻射頻移與選擇的光鐘體系（原子頻率躍遷的極化率差）相關，同時與環境溫度的4次方成正比，對溫度非常敏感——離子所處的環境溫度以及溫度的漲落相關。由此對溫度效應的抑制，實驗上可以采用的方法有兩種，一是直接降低離子所處環境溫度；二是減小離子所處環境的溫度變化。這兩種方案分別適用于實驗室型光鐘和對魯棒性要求更高的可搬運光鐘。團隊此前通過采用液氮低溫系統將離子所處的環境溫度從室溫（約300 K）降至液氮溫度（約80 K），極大地降低了鈣離子光鐘的黑體輻射頻移及不確定度。經過近四年努力，最終將液氮低溫鈣離子光鐘的黑體輻射頻移不確定度降低至2.7×10-18(Phys. Rev. Applied 17, 034041 (2022))。
主動溫度控制的室溫鈣離子光鐘
左：室溫鈣離子光鐘；右：基于水冷系統的主動溫度控制
此次，為實現可搬運，團隊從減小離子所處環境的溫度變化出發，搭建了一臺全新的室溫鈣離子光鐘，通過水冷系統對該光鐘的物理系統進行主動控溫，將光鐘運行過程中的環境溫度不確定度減小至±0.3 oC。同時采用有限元分析計算了離子阱各組件對鈣離子的有效立體角，并結合真空內的測溫探頭和紅外相機監測和評估了離子阱各組件的平均溫度，最終將該室溫鈣離子光鐘的黑體輻射頻移不確定度減小至4.6×10-18。同時，通過對鈣離子光鐘的其余系統誤差項進行細致評估，該鈣離子光鐘的總系統不確定度為4.8×10-18。在此基礎上，團隊通過進行新搭建的室溫鈣離子光鐘和實驗室已有的低溫鈣離子光鐘的頻率比對，獲得的總的不確定度為7.5×10-18（統計不確定度為4.9×10-18，系統不確定度為5.7×10-18）。該結果驗證了黑體輻射頻移評估的可靠性。
隨著鈣離子光鐘不確定度指標的不斷提高，同時結合鈣離子光鐘相對簡單的特點，可研制成小型化、準連續和高可靠性的高精度可搬運光鐘，并將在精密測量物理、時間基準、相對論大地測量、導航定位等方面獲得廣泛的應用。
本研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院長期以來的大力支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.064004