精密测量院研制出不确定度达3E-18的钙离子光频标

当前世界测量精度最高的物理量是光学频率，精度已达10^-18量级。光频标是一套高精度测量传感器，用于实现高精度的时间/频率测量。原子光频标研究是追求极限精密测量的典型代表，也是目前准确度最高的原子频标。高精度光频标有助于提高基本物理量的定义、基本物理常数是否随时间变化测量和基本物理定律检验等的精度，从而推进基础物理研究、探索新物理；在时间基准、相对论大地测量、导航定位等方面应用广泛。国际上，仅有锶原子光频标（美国天体物理联合实验室、日本东京大学）、镱原子光频标（美国国家标准与技术研究院）、铝离子光频标（美国国家标准与技术研究院），以及镱离子光频标（德国联邦物理技术研究院）的不确定度达到10^-18量级。

近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院高克林研究团队研制出不确定度3×10^-18（相当于105亿年不差1秒）的钙离子光频标，成为国际上第五种不确定度指标达到该水平的光频标。相关研究成果发表在《物理评论应用》上。

精密测量院从2000年开展钙离子光频标的实验研究，探究抑制离子运动效应、解决超窄线宽激光、实验环境影响精确控制等一系列关键科学和技术问题，于2011年实现了国内首台光频标，不确定度为7.8X10^-16【PRA 84, 053841 (2011)】；改进钟跃迁激光性能、采用魔幻囚禁场抑制微运动效应，2016年将光频标的不确定度提升至5.1×10^-17【PRL 116, 013001 (2016)】；通过实验上精确测量魔幻囚禁场频率，获得的钟跃迁静态极化率之差，2019年将钙离子光频标的不确定度提升至1.3×10^-17【Phys. Rev. A 99, 011401(R) (2019)】。

光频标系统复杂，参考的原子/离子体系，其测量精度受各种电场、磁场和黑体辐射场、光频测量的激光等环境因素和条件的影响。限制钙离子光频标不确定度进入10^-18的主要因素为黑体辐射频移（BBR shift）。黑体辐射与选择的光频标体系相关，且与环境温度的4次方成正比，对温度非常敏感。在当前光频标研究领域，除了Al⁺等少数对BBR频移不敏感的参考体系外，光钟在室温环境下不低于10^-15量级的频移；对于目前多数原子频标，包括铯喷泉钟、单离子光频标和光晶格原子光频标，总系统不确定度受限于BBR频移不确定度。此前，有研究通过16个伺服环路和30多个传感器组成的主动温控系统来精确控制与评估锶原子光频标环境温度；有研究通过设计真空热屏蔽罩并精确评估了镱原子光频标的环境温度；有研究采用复杂的液氦制冷技术降低锶原子光频标的黑体辐射效应。而离子光频标的真空系统内有离子阱及加热效应使黑体辐射频移评估难度更大。

为了解决钙离子光频标的黑体辐射频移问题，高克林团队提出，将离子阱置于液氮低温环境中（78 开尔文），与室温（300开尔文）相比，黑体辐射频移对温度的敏感程度降低了64倍，低温方案可极大降低黑体辐射频移及其不确定度。与液氦系统相比，液氮系统的造价相对低廉、系统相对简单。然而，实现液氮低温环境下的离子光频标颇具挑战。液氮在使用中会蒸发且需要不断补充，系统运行时液氮容积的变化易造成离子位置的移动，从而导致荧光信号的损失、较大的一阶Doppler频移和较大的离子微运动等。在低温下，对其他物理和环境效应如何保证高的精度。经过多次反复设计和纠错，研究团队将液氮容器设置为导热性更好的无氧铜材料及在液氮容器与真空腔间加入顶针等设计（如图），降低了离子阱在竖直与水平方向上的移动。同时，研究还通过两束相向的钟跃迁探测激光间的频率比对精确评估了由离子阱微小移动造成的一阶Doppler频移，利用微运动三维边带谱的方法每天对离子微运动进行优化与评估来降低液氮容积变化对离子阱内剩余电场的影响，设置特定的主磁场方向以降低液氮容积变化对钟跃迁电四极频移的影响等，在国际上首次实现了液氮低温钙离子光频标，不确定度达到3×10^-18（表1）。

相关研究成果以Liquid-Nitrogen-Cooled Ca⁺ Optical Clock with Systematic Uncertainty of 3 x10^-18为题，发表在《物理评论应用》上。研究工作得到科技部、国家自然科学基金和中科院的支持。

论文链接

液氮低温钙离子光频标系统

表1.钙离子光频标系统误差评估表