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近日，精密測量院囚禁離子物理研究團(tuán)隊(duì)在光鐘研究中取得重大突破，研制的第二代液氮低溫鈣離子光鐘的總系統(tǒng)不確定度達(dá)到4.4E-19，相當(dāng)于連續(xù)運(yùn)行約720億年誤差不超過1秒，是目前報(bào)道的不確定度指標(biāo)最高的光鐘，相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
光鐘利用原子或離子的穩(wěn)定能級躍遷作為頻率參考，是迄今人類能夠?qū)崿F(xiàn)的精度最高的時(shí)間計(jì)量裝置。其系統(tǒng)不確定度直接決定了未來時(shí)間頻率基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性。將系統(tǒng)不確定度推進(jìn)至E-19量級，不僅能夠滿足新一代時(shí)間定義的需求，也將顯著提升基本物理量定義、基本物理常數(shù)測量以及基本物理定律檢驗(yàn)的精度，并為探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供更靈敏的實(shí)驗(yàn)工具。
在眾多光鐘體系中，鈣離子的主要特點(diǎn)為：一是能級結(jié)構(gòu)相對簡單，所需激光系統(tǒng)更為精簡；二是存在“魔幻囚禁頻率”，在特定射頻頻率下，微運(yùn)動引起的二階多普勒頻移與斯塔克頻移可在理論上相互抵消，從而為顯著抑制乃至消除微運(yùn)動相關(guān)頻移提供了可能。然而，要將這些理論優(yōu)勢真正轉(zhuǎn)化為工程化的極限性能，仍需攻克黑體輻射頻移與離子熱運(yùn)動（宏運(yùn)動）精密控制等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。
其中，黑體輻射頻移與環(huán)境溫度的四次方成正比，室溫（約300K）情況下，鈣離子的黑體輻射頻移對溫度較為敏感，長期以來是制約鈣離子光鐘性能的主要瓶頸。為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地發(fā)展了液氮低溫技術(shù)路線。與室溫環(huán)境相比，將離子運(yùn)行環(huán)境降低至液氮溫區(qū)（約80K），理論上可使黑體輻射強(qiáng)度降低約200倍，可從本質(zhì)上大幅降低黑體輻射頻移。在前期成功實(shí)現(xiàn)3E-18不確定度的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過全方位的技術(shù)革新，在第二代系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了性能的跨越式提升。
這項(xiàng)突破源于對多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同攻關(guān)與系統(tǒng)集成。在熱控制方面，團(tuán)隊(duì)對光鐘的機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱連接方案和溫度監(jiān)測體系進(jìn)行了精密設(shè)計(jì)；通過采用高導(dǎo)熱材料、優(yōu)化熱平衡路徑，并創(chuàng)新性地構(gòu)建熱學(xué)復(fù)刻裝置并進(jìn)行原位比對測量，成功將離子微環(huán)境的溫度精確評估為79.5±1.5K，使黑體輻射頻移不確定度降至3.5E-19。在熱運(yùn)動控制方面，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了三維邊帶冷卻技術(shù)，將離子冷卻至接近運(yùn)動基態(tài)，結(jié)合低溫環(huán)境下顯著抑制的電場噪聲（加熱率低于1.3聲子數(shù)/秒），將二階多普勒頻移不確定度降低至4E-20。在磁場控制方面，通過高精度光鐘頻率比對，精確測得了二階塞曼系數(shù)，結(jié)合精確磁場控制，將相關(guān)不確定度控制在5E-20。與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)通過多技術(shù)手段協(xié)同實(shí)現(xiàn)了對其他系統(tǒng)誤差的精確抑制和評估：如采用“魔幻囚禁頻率”抑制微運(yùn)動效應(yīng)，采用Hyper Ramsey光譜技術(shù)消除激光頻移和AOM啁啾頻移，交替探測多對塞曼躍遷抵消電四極頻移，運(yùn)用最新量子散射理論評估背景氣體碰撞影響等。
經(jīng)過對所有已知誤差項(xiàng)的獨(dú)立評估與合成，第二代液氮低溫鈣離子光鐘的總系統(tǒng)不確定度為4.4E-19。這一指標(biāo)的達(dá)成，驗(yàn)證了液氮低溫技術(shù)路線的可行性和優(yōu)越性，為光鐘的發(fā)展提供了新的技術(shù)范式。
該研究成果標(biāo)志著鈣離子光鐘的不確定度指標(biāo)進(jìn)入E-19量級。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，更高精度的光鐘將提升對基本物理定律檢驗(yàn)的靈敏度，為探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供更精確的工具。在計(jì)量應(yīng)用方面，它為基于光鐘重新定義國際單位制"秒"提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。在工程應(yīng)用層面，這一突破為發(fā)展下一代重力測量、精密導(dǎo)航定位等國家重大需求領(lǐng)域提供了核心頻率基準(zhǔn)。
該研究以“Liquid-nitrogen-cooled 40Ca? ion optical clock with a systematic uncertainty of 4.4×10-19”為題發(fā)表于《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。精密測量院博士后張寶林、博士生馬子曉為共同第一作者，研究員黃垚、管樺、高克林為共同通訊作者，研究員唐麗艷、史庭云以及副研究員韓惠麗參與完成。
該研究工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技創(chuàng)新2030“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和創(chuàng)新群體項(xiàng)目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、湖北省創(chuàng)新群體項(xiàng)目等支持。
液氮低溫鈣離子光鐘
論文鏈接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/vngc-c1xv