當前世界測量精度最高的物理量是光學頻率，精度已達10^-18量級。其中光頻標是一套高精度測量傳感器，用于實現(xiàn)高精度的時間/頻率測量。原子光頻標的研究是追求極限精密測量的典型代表，是目前準確度最高的原子頻標。高精度光頻標有助于提高基本物理量的定義、基本物理常數(shù)是否隨時間變化測量和基本物理定律檢驗等的精度，從而推進基礎(chǔ)物理研究，探索新物理。同時在時間基準、相對論大地測量、導航定位等方面具有廣泛的應用。
　　目前為止，國際上僅有鍶原子光頻標(美國天體物理聯(lián)合實驗室 JILA、日本東京大學)、鐿原子光頻標(美國國家標準與技術(shù)研究院NIST)、鋁離子光頻標(美國國家標準與技術(shù)研究院NIST)、以及鐿離子光頻標(德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院PTB)的不確定度達到了10^-18量級。
　　近日，精密測量院高克林研究團隊成功研制不確定度3X10^-18(相當于105億年不差1秒)的鈣離子光頻標，成為國際上第五種不確定度指標達到該水平的光頻標。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學術(shù)期刊《物理評論應用》(Phys. Rev. Applied)上。
　　精密測量院(原中科院武漢物理與數(shù)學研究所)從2000年開展鈣離子光頻標的實驗研究，通過細致研究抑制離子運動效應、解決超窄線寬激光、實驗環(huán)境影響精確控制等一系列關(guān)鍵科學和技術(shù)問題，于2011年實現(xiàn)了國內(nèi)首臺光頻標，不確定度為7.8X10^-16(PRA 84, 053841 (2011))，通過改進鐘躍遷激光性能、采用魔幻囚禁場抑制微運動效應，2016年將光頻標的不確定度提升至5.1X10^-17(PRL 116, 013001 (2016))，通過實驗上精確測量魔幻囚禁場頻率，獲得的鐘躍遷靜態(tài)極化率之差，2019年將鈣離子光頻標的不確定度提升至1.3X10^-17(Phys. Rev. A 99, 011401(R) (2019))。
　　光頻標系統(tǒng)復雜，參考的原子/離子體系，其測量精度受各種電場、磁場和黑體輻射場、光頻測量的激光等環(huán)境因素和條件的影響。限制鈣離子光頻標不確定度進入10-18的主要因素為黑體輻射頻移(BBR shift)。黑體輻射與選擇的光頻標體系相關(guān)，同時與環(huán)境溫度的4次方成正比，對溫度非常敏感。在當前光頻標研究領(lǐng)域，除了Al⁺ 等少數(shù)對BBR頻移不敏感的參考體系外，光鐘往往在室溫環(huán)境下不低于10^-15量級的頻移；對于目前大多數(shù)原子頻標，包括銫噴泉鐘、單離子光頻標和光晶格原子光頻標，總系統(tǒng)不確定度往往受限于BBR頻移不確定度。之前，JILA通過16 個伺服環(huán)路和 30 多個傳感器組成的主動溫控系統(tǒng)來精確控制與評估鍶原子光頻標環(huán)境溫度、NIST通過設(shè)計真空熱屏蔽罩并精確評估了鐿原子光頻標的環(huán)境溫度，東京大學采用復雜的液氦制冷技術(shù)降低鍶原子光頻標的黑體輻射效應。而離子光頻標的真空系統(tǒng)內(nèi)有離子阱及加熱效應使黑體輻射頻移評估難度更大。
　　為了解決鈣離子光頻標的黑體輻射頻移問題，高克林研究團隊提出通過將離子阱置于液氮低溫環(huán)境中(78 開爾文)，與室溫(300開爾文)相比，黑體輻射頻移對溫度的敏感程度降低了64倍，低溫方案可極大降低黑體輻射頻移及其不確定度。與液氦系統(tǒng)相比，液氮系統(tǒng)的造價相對低廉，系統(tǒng)相對簡單。但實現(xiàn)液氮低溫環(huán)境下的離子光頻標是極具挑戰(zhàn)。因為液氮在使用中會蒸發(fā)且需要不斷補充，系統(tǒng)運行時液氮容積的變化易造成離子位置的移動，從而造成熒光信號的損失、較大的一階Doppler頻移和較大的離子微運動等。而且在低溫下，對其他物理和環(huán)境效應又如何保證高的精度。經(jīng)過多次反復設(shè)計和糾錯，研究團隊最終通過將液氮容器設(shè)置為導熱性更好的無氧銅材料及在液氮容器與真空腔間加入頂針等設(shè)計(圖1)，極大地降低了離子阱在豎直與水平方向上的移動。同時，還通過兩束相向的鐘躍遷探測激光間的頻率比對精確評估了由離子阱微小移動造成的一階Doppler頻移，通過微運動三維邊帶譜的方法每天對離子微運動進行優(yōu)化與評估來降低液氮容積變化對離子阱內(nèi)剩余電場的影響，通過設(shè)置特定的主磁場方向以降低液氮容積變化對鐘躍遷電四極頻移的影響等，最終在國際上首次實現(xiàn)了液氮低溫鈣離子光頻標，不確定度達到3X10^-18(表1)。