近日，精密測(cè)量院高克林、管樺研究團(tuán)隊(duì)成功研制出不確定度達(dá)4.8×10^-18的室溫鈣離子光鐘，為下一步實(shí)現(xiàn)10^-18量級(jí)的可搬運(yùn)鈣離子光鐘打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論應(yīng)用》(Physical Review Applied)上。

　　實(shí)現(xiàn)高精度的可搬運(yùn)光鐘是實(shí)現(xiàn)光鐘應(yīng)用的關(guān)鍵和必要條件。國(guó)際計(jì)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(xiàng)條件是不同光鐘間的頻率比值的吻合度優(yōu)于5×10^-18，將高精度光鐘搬運(yùn)到各個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行頻率比對(duì)是重要的方法之一。在相對(duì)論大地測(cè)量學(xué)應(yīng)用方面，1×10^-18的光鐘不確定度對(duì)應(yīng)于約1厘米的高程差，利用不確定度達(dá)到或優(yōu)于10^-18量級(jí)的光鐘進(jìn)行比對(duì)有望實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)或亞厘米級(jí)的高程差測(cè)量，為高程測(cè)量提供新的方案。同時(shí)，可搬運(yùn)光鐘應(yīng)用于新一代綜合PNT體系建設(shè)中，可顯著提高體系的綜合性能指標(biāo)。

　　研究團(tuán)隊(duì)此前研制出一臺(tái)不確定度1.3×10^-17的可搬運(yùn)鈣離子光鐘，并搬運(yùn)到中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的北京昌平院區(qū)，實(shí)現(xiàn)了10^-16量級(jí)的鈣離子光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量。在2021年3月19日召開的第22屆CCTF會(huì)議上，該團(tuán)隊(duì)測(cè)量的鈣離子光鐘絕對(duì)頻率值第四次被采納，2022年4月13日，國(guó)際計(jì)量局正式采納鈣離子光頻躍遷為新增的次級(jí)秒定義參考。

　　限制鈣離子光鐘不確定度進(jìn)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(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——離子所處的環(huán)境溫度以及溫度的漲落相關(guān)。由此對(duì)溫度效應(yīng)的抑制，實(shí)驗(yàn)上可以采用的方法有兩種，一是直接降低離子所處環(huán)境溫度；二是減小離子所處環(huán)境的溫度變化。這兩種方案分別適用于實(shí)驗(yàn)室型光鐘和對(duì)魯棒性要求更高的可搬運(yùn)光鐘。團(tuán)隊(duì)此前通過采用液氮低溫系統(tǒng)將離子所處的環(huán)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(jīng)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(dòng)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(tǒng)的主動(dòng)溫度控制

      此次，為實(shí)現(xiàn)可搬運(yùn)，團(tuán)隊(duì)從減小離子所處環(huán)境的溫度變化出發(fā)，搭建了一臺(tái)全新的室溫鈣離子光鐘，通過水冷系統(tǒng)對(duì)該光鐘的物理系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控溫，將光鐘運(yùn)行過程中的環(huán)境溫度不確定度減小至±0.3 ^oC。同時(shí)采用有限元分析計(jì)算了離子阱各組件對(duì)鈣離子的有效立體角，并結(jié)合真空內(nèi)的測(cè)溫探頭和紅外相機(jī)監(jiān)測(cè)和評(píng)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(shí)，通過對(duì)鈣離子光鐘的其余系統(tǒng)誤差項(xiàng)進(jìn)行細(xì)致評(píng)估，該鈣離子光鐘的總系統(tǒng)不確定度為4.8×10^-18。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)行新搭建的室溫鈣離子光鐘和實(shí)驗(yàn)室已有的低溫鈣離子光鐘的頻率比對(duì)，獲得的總的不確定度為7.5×10^-18（統(tǒng)計(jì)不確定度為4.9×10^-18，系統(tǒng)不確定度為5.7×10^-18）。該結(jié)果驗(yàn)證了黑體輻射頻移評(píng)估的可靠性。

　　隨著鈣離子光鐘不確定度指標(biāo)的不斷提高，同時(shí)結(jié)合鈣離子光鐘相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可研制成小型化、準(zhǔn)連續(xù)和高可靠性的高精度可搬運(yùn)光鐘，并將在精密測(cè)量物理、時(shí)間基準(zhǔn)、相對(duì)論大地測(cè)量、導(dǎo)航定位等方面獲得廣泛的應(yīng)用。

　　本研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院長(zhǎng)期以來的大力支持。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.064004