當(dāng)前世界測(cè)量精度最高的物理量是光學(xué)頻率，精度已達(dá)10^-18量級(jí)。其中光頻標(biāo)是一套高精度測(cè)量傳感器，用于實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間/頻率測(cè)量。原子光頻標(biāo)的研究是追求極限精密測(cè)量的典型代表，是目前準(zhǔn)確度最高的原子頻標(biāo)。高精度光頻標(biāo)有助于提高基本物理量的定義、基本物理常數(shù)是否隨時(shí)間變化測(cè)量和基本物理定律檢驗(yàn)等的精度，從而推進(jìn)基礎(chǔ)物理研究，探索新物理。同時(shí)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。
　　目前為止，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)(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院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)的不確定度達(dá)到了10^-18量級(jí)。
　　近日，精密測(cè)量院高克林研究團(tuán)隊(duì)成功研制不確定度3X10^-18(相當(dāng)于105億年不差1秒)的鈣離子光頻標(biāo)，成為國(guó)際上第五種不確定度指標(biāo)達(dá)到該水平的光頻標(biāo)。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論應(yīng)用》(Phys. Rev. Applied)上。
　　精密測(cè)量院(原中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)從2000年開展鈣離子光頻標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，通過細(xì)致研究抑制離子運(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年實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)光頻標(biāo)，不確定度為7.8X10^-16(PRA 84, 053841 (2011))，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5.1X10^-17(PRL 116, 013001 (2016))，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1.3X10^-17(Phys. Rev. A 99, 011401(R) (2019))。
　　光頻標(biāo)系統(tǒng)復(fù)雜，參考的原子/離子體系，其測(cè)量精度受各種電場(chǎng)、磁場(chǎng)和黑體輻射場(chǎng)、光頻測(cè)量的激光等環(huán)境因素和條件的影響。限制鈣離子光頻標(biāo)不確定度進(jìn)入10-18的主要因素為黑體輻射頻移(BBR shift)。黑體輻射與選擇的光頻標(biāo)體系相關(guān)，同時(shí)與環(huán)境溫度的4次方成正比，對(duì)溫度非常敏感。在當(dāng)前光頻標(biāo)研究領(lǐng)域，除了Al⁺ 等少數(shù)對(duì)BBR頻移不敏感的參考體系外，光鐘往往在室溫環(huán)境下不低于10^-15量級(jí)的頻移；對(duì)于目前大多數(shù)原子頻標(biāo)，包括銫噴泉鐘、單離子光頻標(biāo)和光晶格原子光頻標(biāo)，總系統(tǒng)不確定度往往受限于BBR頻移不確定度。之前，JILA通過16 個(gè)伺服環(huán)路和 30 多個(gè)傳感器組成的主動(dòng)溫控系統(tǒng)來精確控制與評(píng)估鍶原子光頻標(biāo)環(huán)境溫度、NIST通過設(shè)計(jì)真空熱屏蔽罩并精確評(píng)估了鐿原子光頻標(biāo)的環(huán)境溫度，東京大學(xué)采用復(fù)雜的液氦制冷技術(shù)降低鍶原子光頻標(biāo)的黑體輻射效應(yīng)。而離子光頻標(biāo)的真空系統(tǒng)內(nèi)有離子阱及加熱效應(yīng)使黑體輻射頻移評(píng)估難度更大。
　　為了解決鈣離子光頻標(biāo)的黑體輻射頻移問題，高克林研究團(tuán)隊(duì)提出通過將離子阱置于液氮低溫環(huán)境中(78 開爾文)，與室溫(300開爾文)相比，黑體輻射頻移對(duì)溫度的敏感程度降低了64倍，低溫方案可極大降低黑體輻射頻移及其不確定度。與液氦系統(tǒng)相比，液氮系統(tǒng)的造價(jià)相對(duì)低廉，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。但實(shí)現(xiàn)液氮低溫環(huán)境下的離子光頻標(biāo)是極具挑戰(zhàn)。因?yàn)橐旱谑褂弥袝?huì)蒸發(fā)且需要不斷補(bǔ)充，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)液氮容積的變化易造成離子位置的移動(dòng)，從而造成熒光信號(hào)的損失、較大的一階Doppler頻移和較大的離子微運(yùn)動(dòng)等。而且在低溫下，對(duì)其他物理和環(huán)境效應(yīng)又如何保證高的精度。經(jīng)過多次反復(fù)設(shè)計(jì)和糾錯(cuò)，研究團(tuán)隊(duì)最終通過將液氮容器設(shè)置為導(dǎo)熱性更好的無氧銅材料及在液氮容器與真空腔間加入頂針等設(shè)計(jì)(圖1)，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)，還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Doppler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)估來降低液氮容積變化對(duì)離子阱內(nèi)剩余電場(chǎng)的影響，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3X10^-18(表1)。