钙离子光频标师生团队:一百亿亿分之一,我们做到了

  • 脱畅 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2022-11-10
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  2021年3月的一个深夜,白日的喧嚣归于平静,中科院精密测量院的灯仍然亮着,实验室里静得只听到激光机械快门开关的滴答声。在一个裹着磁屏蔽系统的仪器边,国科大2018级无线电物理专业博士生张宝林和导师黄垚平静地等待着实验结果。电脑屏幕上,光钟运行界面出现了黑体辐射频移的评估结果,“这是钙离子光钟系统不确定度的最大项,也是最后的待评估项,数据显示该项频移与不确定度都在小系数E-18量级,标志着钙离子光钟总的系统不确定度达到3E-18!”

研究组看到的最后一项系统频移项评估完成形貌

  2022年4月14日,国际计量局网站更新了“秒”定义候选跃迁频率的推荐值,国科大博士生导师、中科院精密测量院高克林团队自主完成的钙离子光频标测量结果成功入选,这是我国在国际时间标准领域取得的重大突破。据业内专家评价,这不仅提升了我国在原子频标领域的国际影响力,也为未来争取世界时间标准定义话语权打下了坚实基础。

雕刻“精度”

  具体来说,团队是将钙离子光频标的相对不确定度评估到了3E-18。这是一个怎样的精度概念呢?如果这台装置连续运行105亿年,误差将不超过一秒。换置一个更形象的单位描述,宇宙的寿命约为138亿年,若利用一台无扰的光频标,测量从宇宙大爆炸到今天整个过程的时长,误差将不超过2秒。这条“精度”雕刻之路,团队走了近20年。

  2005年,团队首次实现了单个钙离子的囚禁和冷却,并经6年努力推出了中国首台光频标。2012年,团队首次推出了离子光频标不确定度的评估结果——7.6E-16,这个“籍贯”为中国的“精度”第一次被国际计量局时间频率咨询委员会(CCTF)采纳,从此,钙离子光频跃迁推荐值的榜单上有了中国人的笔墨。

  2021年,团队对钙离子光频跃迁频率值再次实现了迭代升级,最终把黑体辐射引起的不确定度评估到了2.7E-18,将钙离子光频标的不确定度评估到了3E-18。CCTF第四次采纳了团队测量数据,并推荐钙离子光频标测量结果新增为秒定义候选体系。

  人们常用“分秒不差”来形容“精确”,而若是能达到定义“秒”的“水平”,则是真正做到了定义“精确”。作为量子科技的典型代表,光钟的精度水平已远超1967年国际计量局选定并沿用至今的“秒”定义实现方式(铯喷泉微波钟),成为下一代“秒”定义最有力的候选者。

  E-16到E-17再到E-18,每一个“0”的添加,描画了团队寻找精度提升密码的日与夜。“实际上,影响光钟精度的因素有十几项之多,每项评估都需要时间和耐心一点点‘雕刻’,期间遇到了无数次阻碍、无数+1次调整实验方案……”当那晚最后一项系统频移项评估完成时,张宝林和一旁指导实验的黄垚反而没有想象中那番激动,只是感觉“肩上的担子终于松了一些”。

研讨中的张宝林(左)和黄垚(右)

科学家们的新理想

  “你们天天忙活的‘光频标’,到底是什么?”这是张宝林常被亲朋好友问到的问题。相对论曾启示世人:一些原本公认为永恒的事物,其实是在变化的——比如引力场中的光线偏转、光谱红移,行星近日点的精确进动以及雷达回波的延迟等;又比如宇宙的膨胀率、中子与质子的质量比、万有引力常数等也会随着时间的推移而变化……对于这些关键性的物理量甚至勾连起物理学支柱理论变化的现象,如何去检验,如何探知其中奥秘,是千百年来物理领域代代追逐的答案。而光频标便是检验这些变化的一把钥匙。

  通过最新一代光频标比对,可以将测量精度提升至一百亿亿(1000000000000000000)分之一,这份18个“0”带来的聚焦对基础物理有着深远意义。 

  这把“金钥匙”的广泛应用也有个让人头疼的问题:装置十分依赖于激光器的性能和环境的稳定,一般要用到多个激光器及其稳频与调频系统,因而光频标装置的“体格”往往硕大又笨重。于是,科学家们有了一个新的理想——研制小型化可搬运光频标。帮光频标“瘦身”、设计其不受外界影响的自动运行算法,是未来光频标从实验室到不同运行场景的关键。

  未来,“灵活”指数不断升级的光频标将在各行业应用领域掀起一场“精度”迭代的风暴:“在国家时间频率体系建设,尤其是在北斗卫星导航系统的定位和授时精度提升以及构建陆、海、空、天统一的高程基准方面都有着不可替代的作用,在涉及金融交易、社交媒体的民用领域,也将产生更高精度的时间标准。”团队放眼未来,充满期待。

国外可以做的,为什么我们不能做?

  这场为盖印“中国戳”跋涉良久的“精度”之旅,起于一个小小的装置——20多年前由高克林研究员从国外带回来的离子阱。离子阱是离子光频标的核心部件,用于囚禁单离子。只有将离子稳定囚禁后才能将激光作用在离子上,制成离子光频标。

高克林

  2003年,这个影响光谱测量精度的关键装置出现了破损,而没有想到的是,团队走遍半个中国竟没有找到可以修理的地方。高克林开始思考:“为何不能用我们自己的离子阱?”循着这一反问,团队开始利用不锈钢细丝、康铜合金等材料“手工制作”囚禁离子物理研究组第一代环帽阱:反复打磨后再在显微镜下检验……正是这套结构简单的微型离子阱,成功“点亮”了单个钙离子,也点燃了中国钙离子光频标研究的希望。如今的离子阱经过数轮迭代升级,激光操控水平早已与当年不可同日而语。眼下的九层之台,离不开早期实验室前辈们一揪一铲的垒土。

  2008年,张宝林的导师管桦博士毕业后前往美国国家标准与技术研究院(NIST)进行访问研究。了解到国外正尝试通过液氦冷却汞离子提高光频标精度,他豁然开朗,笃定了回国利用低温系统探索光频标研究新突破的想法:“国外可以做的,为什么我们不能做?我们还要想办法做得更好!”

管桦

  根据黑体辐射理论,黑体辐射的能量密度与环境温度成正比,低温环境就可以将影响钙离子光频标不确定度的黑体辐射频移极大降低。从想法到实践有着一条幽深的沟壑。管桦回忆:“(实验)并不是把离子阱放入低温环境那么简单,低温下各种问题也开始阻挠进展,光是液氮消耗过程中由于容器的热胀冷缩等造成离子位置移动的问题,我们就花了一年去摸索解决。”

黄垚在检查设备

  “位置移动一方面使得离子的荧光信号不断变化甚至消失;另一方面,会造成难以被准确评估的显著一阶Doppler频移。”团队判断,他们需要从竖直和水平两个方向去“固定”住离子。张宝林将调研情况汇报给高克林、管桦和黄垚,师生们讨论后,决定将液氮容器材质从不锈钢改为导热率更高的无氧铜,并在液氮容器周围加入三个顶针。“双管齐下”后,期待的效果出现了。离子“文静”多了,每天的位移控制在10微米以内,完全处于激光束的中心,达到了高精度光频标的要求。

 液氮低温光频标系统原理图

液氮低温光频标内部

经过优化的液氮低温光频标系统的原理图及其内部实物图

  设计对应的射频放大电路降低离子微运动影响,测量钙离子钟跃迁上下能级的静态极化率之差降低由黑体辐射系数精度造成的不确定度……闯过了“低温”关,研究团队小心翼翼地继续抑制其他因素造成的频移。直到那个夜晚,最后一项系统频移项评估完成。

追逐精密永远在路上

  对于精度成果的“再创新高”,团队成员用“欣慰”而不是“惊喜”来形容。在他们看来,这份“长跑后的冲刺撞线”更是一种水到渠成的“必然”,底气来自点滴汗水,更得益于团队代代相承的精益求精。正如中科院精密测量院频标楼张挂的标语:“献身科学,锐意进取,追求精密无止尽”。光频标领域原理复杂,实验周期漫长,且精度要求极高,因而酿造出一篇优质文章比别的方向愈加艰难,做出国际领先的成果则需一颗更为坚定的恒心。

  不分昼夜是团队的“作战习惯”。“前段时间受地铁8号线的影响,只有凌晨12点到5点的数据可以用,因此需要白天调试仪器,晚上守在实验室采数据。”张宝林说。这种作息成员们也早习以为常。仪器的周期不受控制,状态好时,大家会抓住时机加班加点做实验,如同抢收一季麦子时的紧张有序。从2000年高克林带领团队开启钙离子光频标的研究工作以来,实验团队始终保持着高速运转。“团队骨干由年轻科研人员和学生组成,工作起来非常高效。从2012年,我们首次给出了钙离子光频标的不确定度的评估结果,之后几乎每年我们都会实现一代光频标精度的跃升。”高克林说。

团队在讨论实验

  合作互助是成员间的一个重要共识。“这些年来,我们不是打一枪换一个地方的游击式科研,通力合作的同时也和研究所内外的团队联合起来,以建制化的方式不断推进这项研究。” 高克林说,此次研究就是与中国计量科学研究院合作的结晶。

  尽管话语中充满自豪与兴奋,但面对未来,高克林很冷静:“这只是一个阶段性的进展,基于可搬运及精度跃升还有很长的路要走。”下一步,团队计划利用更系统与精确的评估方案,把钙离子光频标的精度推进到E-19水平。他们还有一个更远的目标。“帮助‘可搬运’的光频标实现更多场景的应用和适应,向移动的时频基准再进一步。”高克林说。

责任编辑:韩明瑞