追求極限,刷新“鈣幫”世界紀錄

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近年來，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員高克林團隊研制出不確定度為 3×10-18（相當于105億年不差1秒）、穩定度為6.3×10-18@524000s的鈣離子光頻標，成為第五種不確定度指標達10-18水平的光頻標、第二種穩定度達10-18量級的離子光頻標，并研制出目前搬運距離最遠的光鐘，實現精度達到10-16的鈣離子光頻的溯源測量。該成果被國際時間頻率咨詢委員會推薦為次級秒定義。

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高克林（中）和同事開展鈣離子光頻標實驗。受訪者供圖

“鈣離子有很多優點，比如其光頻躍遷是搭建高精度光頻標的理想參考，可有效抑制離子特有的微運動頻移。其離子的量子態制備、激光冷卻及鐘躍遷探測所用的激光均可用商品化的半導體激光器發射，因此極有可能實現廣泛應用。”高克林說，“但是鈣離子光頻標也面臨兩個世界級難題：一是鈣離子對磁場非常敏感；二是鈣離子在室溫下對黑體輻射效應（環境溫度）敏感。”

頻率標準研究對外場控制（環境中各種效應，如振動、噪聲、磁場和溫度等）的要求非常高，國際上許多光頻標研究機構已經放棄參考鈣離子搭建高精度光頻標。目前，國際上僅有鍶原子光頻標、鐿原子光頻標、鋁離子光頻標，以及鐿離子光頻標的不確定度達到10-18量級。

“能否直面這些國際難題，將鈣離子光頻標推進至更高精度是我們面臨的艱巨挑戰。”高克林說，“在葉朝輝、羅俊院士領導的精密測量項目專家組與頻標科學家王義遒、王育竹、李天初等人的關心和支持下，我們一步步解決了這些難題，將鈣離子光頻標推至國際第一方陣。”

為進一步提高鈣離子光頻標的性能，研究人員通過改進鐘躍遷激光性能，建立了第二臺鈣離子光頻標并進行比對，大幅降低了電四極頻移、光頻移和微運動頻移，實現了不確定度達5.5×10-17、穩定度達7×10-17的鈣離子光頻標。2018年，團隊通過“魔幻射頻囚禁場”抑制了微運動頻移，又通過降低黑體輻射頻移、改進光頻標伺服軟件等措施，進一步將鈣離子光頻標不確定度提升至2.2×10-17。2019年，通過對兩臺鈣離子光頻標長達31天的頻率比對，研究人員測得穩定度達到6.3×10-18@524000s。

為降低鈣離子光頻標黑體輻射頻移的影響，團隊將離子阱置于液氮低溫環境中，使黑體輻射頻移對溫度的敏感度降低了約兩個數量級。與國際上采用的液氦系統相比，液氮系統造價低廉、操作簡單。但缺點是使用中液氮會蒸發，系統運行時液氮容積變化易造成離子位置移動，從而導致熒光信號損失。

為解決低溫系統問題，研究人員反復迭代和糾錯，并采用清華大學教授尤力團隊的“前置反饋”技術，大幅降低了背景磁場噪聲。最終，該團隊在國際上首次實現了液氮低溫鈣離子光頻標，不確定度達到3×10-18。

2020年，該團隊實現鈣離子光頻標系統集成、可靠和高精度運行等關鍵技術突破，研制出一臺精度24億年偏差不到1秒的可搬運鈣離子光鐘，首次將鈣離子光頻測量精度推進到國際最高水平，并實現從武漢到北京千公里級車載搬運。