記者4月14日從中科院精密測(cè)量院了解到，該院研究團(tuán)隊(duì)成功研制不確定度達(dá)3×10-18的鈣離子光頻標(biāo)，即105億年偏差不到1秒，使我國(guó)擁有了國(guó)際上第五種不確定度指標(biāo)達(dá)到10-18量級(jí)的光頻標(biāo)。相關(guān)成果近日在《應(yīng)用物理評(píng)論》上發(fā)表。
當(dāng)前世界測(cè)量精度最高的物理量是光頻，最高精度已達(dá)10-18量級(jí)。其中原子光頻標(biāo)是光頻精密測(cè)量的典型代表，是目前準(zhǔn)確度最高的原子頻標(biāo)。截止目前，國(guó)際上僅有鍶原子光頻標(biāo)(美國(guó)天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室JILA、日本東京大學(xué))、鐿原子光頻標(biāo)(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST)、鋁離子光頻標(biāo)(NIST)、以及鐿離子光頻標(biāo)(德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院PTB)等四種原子光頻標(biāo)的不確定度達(dá)到了10-18量級(jí)。
中科院精密測(cè)量院高克林研究團(tuán)隊(duì)解決了黑體輻射頻移、多普勒頻移、微運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電四極頻移等影響鈣離子光頻標(biāo)不確定度的關(guān)鍵物理問題與技術(shù)難題。其中，研究人員將離子阱置于液氮低溫環(huán)境中(78 開爾文)，液氮容器采用導(dǎo)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(shè)計(jì)，極大地降低了離子阱在豎直與水平方向上的移動(dòng)。
同時(shí)，通過兩束相向的鐘躍遷探測(cè)激光間的頻率比對(duì)，精確評(píng)估了由離子阱微小移動(dòng)造成的一階多普勒頻移，通過微運(yùn)動(dòng)三維邊帶譜的方法每天對(duì)離子微運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化與評(píng)估，以降低液氮容積變化對(duì)離子阱內(nèi)剩余電場(chǎng)的影響。此外，還通過設(shè)置特定的主磁場(chǎng)方向以降低液氮容積變化對(duì)鐘躍遷電四極頻移的影響等，最終在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了液氮低溫鈣離子光頻標(biāo)，不確定度達(dá)到3×10-18。
據(jù)介紹，高克林團(tuán)隊(duì)從2000年開展鈣離子光頻標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，通過解決抑制離子運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、解決超窄線寬激光、實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響精確控制等一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，于2011年成功研制國(guó)內(nèi)首臺(tái)光頻標(biāo)，不確定度為7.8×10-16，通過改進(jìn)鐘躍遷激光性能、采用魔幻囚禁場(chǎng)抑制微運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，2016年將光頻標(biāo)的不確定度提升至5.1×10-17，通過實(shí)驗(yàn)上精確測(cè)量魔幻囚禁場(chǎng)頻率，獲得的鐘躍遷靜態(tài)極化率之差，2019年將鈣離子光頻標(biāo)的不確定度提升至1.3×10-17。
相關(guān)科研人員表示，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，光頻標(biāo)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(shù)測(cè)量和基本物理定律檢驗(yàn)等的精度，以及推進(jìn)新物理的發(fā)現(xiàn)。在應(yīng)用研究領(lǐng)域，在時(shí)間基準(zhǔn)、相對(duì)論大地測(cè)量、導(dǎo)航定位等方面具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034041
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