近期，Ezpay囚禁离子物理研究团队在光钟研究中取得重大突破，研制的第二代液氮低温钙离子光钟的总系统不确定度达到4.4E-19，相当于陆续在运行约720亿年误差不超过1秒，是现在报道的不确定度指标最高的光钟，相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

    光钟利用原子或离子的稳定能级跃迁作为频率参考，是迄今人类能够实现的精度最高的时间计量装置。其系统不确定度直接决定了未来时间频率基准的准确性和可靠性。将系统不确定度推进至E-19量级，不仅能够满足新一代时间定义的需求，也将显著提升基本物理量定义、基本物理常数测量以及基本物理定律检验的精度，并为探索超越标准模型的新物理给予更灵敏的实验工具。

    在众多光钟体系中，钙离子的主要特点为：一是能级结构相对简单，所需激光系统更为精简；二是存在“魔幻囚禁频率”，在特定射频频率下，微运动引起的二阶多普勒频移与斯塔克频移可在理论上相互抵消，从而为显著抑制乃至消除微运动相关频移给予了可能。然而，要将这些理论优势真正转化为工程化的极限性能，仍需攻克黑体辐射频移与离子热运动（宏运动）精密控制等关键技术挑战。

    其中，黑体辐射频移与环境温度的四次方成正比，室温（约300K）情况下，钙离子的黑体辐射频移对温度较为敏感，长期以来是制约钙离子光钟性能的主要瓶颈。为解决这一问题，研究团队创新性地开展了液氮低温技术路线。与室温环境相比，将离子运行环境降低至液氮温区（约80K），理论上可使黑体辐射强度降低约200倍，可从本质上大幅降低黑体辐射频移。在前期成功实现3E-18不确定度的基础上，团队顺利获得全方位的技术革新，在第二代系统中实现了性能的跨越式提升。

    这项突破源于对多个关键技术的协同攻关与系统集成。在热控制方面，团队对光钟的机械结构、热连接方案和温度监测体系进行了精密设计；顺利获得采用高导热材料、优化热平衡路径，并创新性地构建热学复刻装置并进行原位比对测量，成功将离子微环境的温度精确评估为79.5±1.5K，使黑体辐射频移不确定度降至3.5E-19。在热运动控制方面，团队实现了三维边带冷却技术，将离子冷却至接近运动基态，结合低温环境下显著抑制的电场噪声（加热率低于1.3声子数/秒），将二阶多普勒频移不确定度降低至4E-20。在磁场控制方面，顺利获得高精度光钟频率比对，精确测得了二阶塞曼系数，结合精确磁场控制，将相关不确定度控制在5E-20。与此同时，研究团队顺利获得多技术手段协同实现了对其他系统误差的精确抑制和评估：如采用“魔幻囚禁频率”抑制微运动效应，采用Hyper Ramsey光谱技术消除激光频移和AOM啁啾频移，交替探测多对塞曼跃迁抵消电四极频移，运用最新量子散射理论评估背景气体碰撞影响等。

    经过对所有已知误差项的独立评估与合成，第二代液氮低温钙离子光钟的总系统不确定度为4.4E-19。这一指标的达成，验证了液氮低温技术路线的可行性和优越性，为光钟的开展给予了新的技术范式。

    该研究成果标志着钙离子光钟的不确定度指标进入E-19量级。在基础研究领域，更高精度的光钟将提升对基本物理定律检验的灵敏度，为探索超越标准模型的新物理给予更精确的工具。在计量应用方面，它为基于光钟重新定义国际单位制“秒”"给予了坚实的技术支撑。在工程应用层面，这一突破为开展下一代重力测量、精密导航定位等国家重大需求领域给予了核心频率基准。

    该研究以“Liquid-nitrogen-cooled ⁴⁰Ca⁺ ion optical clock with a systematic uncertainty of 4.4×10^-19”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。Ezpay博士后张宝林、博士生马子晓为共同第一作者，研究员黄垚、管桦、高克林为共同通讯作者，研究员唐丽艳、史庭云以及副研究员韩惠丽参与完成。

    该研究工作得到科技部重点研发计划、科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目、国家自然科学基金委重点项目和创新群体项目、中国科研实验室稳定支持基础研究领域青年团队计划、湖北省创新群体项目等支持。

液氮低温钙离子光钟

论文链接: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/vngc-c1xv