105亿年偏差不到1秒,中国首次!

科技工作者之家 06月23日

日前,国际计量局官网更新了国际“秒”定义候选跃迁频率的推荐值,中国科学院精密测量院高克林团队研发的钙离子光频标的测量结果成功入选。这是中国第一次推动一种新的元素跃迁频率正式列名下一个“秒”定义候选。中国团队在精准计时领域跑出了一条新赛道。

据悉,按照2015年国际计量局国际时间频率咨询委员会(CCTF)给出的修改“秒”定义路线图,2026年前后国际计量局将基于光频标测量结果,对“秒”的定义进行一次重新修订。届时,中国团队研发的钙离子光频标将和国际上的其他光频标同台竞争。

目前,“秒”的严格定义是1967年国际计量大会基于铯原子跃迁频率而做出的:1秒等于铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁对应辐射的9192631770个周期(原子微波秒)。

本世纪初,冷原子和激光技术快速发展,光频标(一种高精度测量原子跃迁频率的科学仪器)的测量精度不断提高,用光频来测量原子迁跃比微波要高出4-5个数量级。2017年第21届CCTF会议就提出,下一步“秒”的定义将基于光频标测量的原子跃迁频率,且精度(不确定度)应达到E-18量级(等效于约100亿年偏差不到1秒)。

世界各国都希望自己研发的光频标测量结果能成为下一个“秒”定义的候选标准。截至目前,美、日、德等国相继开发了锶原子、镱原子、铝离子、镱离子的光频标,精度都达到了E-18量级,入选“秒”定义的候选光频标体系。

在从事囚禁离子物理研究多年后,2000年,高克林团队开始了钙离子光频标的研究。2005年,实现了单个钙离子的囚禁和冷却;2011年,研制出了国内首台1300万年偏差1秒的钙离子光频标;2016年将精度提升至2亿年偏差1秒;2019年,这个精度提升至近10亿年偏差1秒;2022年4月,他们又研制出105亿年偏差1秒的钙离子光频标,精度达到3E-18,这也是世界上首次实现液氮低温光频标。

2020年,高克林团队实现钙离子光频标在系统集成化、可靠和高精度运行等关键技术上的突破,研制成功一台可搬运钙离子光钟,精度达24亿年偏差1秒,实现了武汉至北京的千公里级车载搬运,由此开展高精度光钟的应用。

此前,国际计量局于2012年、2015年、2017年三次采纳了中国团队E-15量级的测量结果;可搬运光钟在北京实现本地基准钟的溯源测量,将钙离子光频测量精度推进到E-16量级。如今,国际计量局第四次采纳了中国结果,并将钙离子光频标的测量结果新增为国际秒定义候选。由此,在国际时间计量领域增加了中国权重。