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2022年4月14號， 國際計量局網(wǎng)站更新了次級秒定義的候選光頻標(biāo)， 鈣離子光頻標(biāo)首次入選。早在2021年3月19日，國際計量局時間頻率咨詢委員會第四次采納了精密測量院高克林研究團隊研發(fā)的鈣離子光頻標(biāo)的測量結(jié)果，并推薦鈣離子光頻標(biāo)測量結(jié)果新增為次級秒定義。
時間與人類活動息息相關(guān)，是國際單位制七個基本物理量中測量精度最高(測量有效位數(shù)最多)的物理量，許多其它物理量的測量都可以轉(zhuǎn)換為對時間的測量，以提高測量精度。秒是時間的基本單位。1955年，世界第一臺銫原子鐘誕生。人們意識到通過準(zhǔn)確的研究和控制外界環(huán)境影響，基于微觀量子躍遷的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)不易受到外界的干擾，是秒定義的穩(wěn)定參考源。1961年，國際計量委員會提議采用銫原子基態(tài)躍遷作為秒定義的候選，1967年，國際計量大會通過了基于銫原子躍遷的新的秒定義，即：秒是銫133原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級之間躍遷對應(yīng)輻射的 9192631770個周期所持續(xù)的時間。隨著光頻標(biāo)的快速發(fā)展，其精度已遠(yuǎn)超越銫原子鐘的精度，采用光頻標(biāo)測量的原子躍遷頻率作為新的國際秒定義成為趨勢。在2017年6月8-9日召開的第21屆國際計量局國際時間頻率咨詢委員會會議提出了國際秒定義修改路線圖，提出的三種方案分別是：基于單種原子光頻躍遷頻率、多種原子光頻躍遷頻率的加權(quán)平均、以及更基本的物理常數(shù)。光頻標(biāo)成為秒定義候選需滿足2個必要條件：1.光頻標(biāo)的光頻測量值的精度與現(xiàn)有秒定義相當(dāng)，并被CCTF認(rèn)定為次級秒定義標(biāo)準(zhǔn)。2.進入次級秒定義的光頻標(biāo)的不確定度及穩(wěn)定度應(yīng)達10-18量級；光頻標(biāo)間比率測量精度應(yīng)在10-18量級。
在理想條件下，原子/離子內(nèi)在能級躍遷頻率是自然界中最為穩(wěn)定的。但各種外場（如：電場、磁場和溫度場等）均會影響到原子/離子的狀態(tài)，導(dǎo)致原子躍遷頻率發(fā)生變化。為此，要實現(xiàn)不確定度和穩(wěn)定度達到10-18量級的光頻標(biāo)， 需要實現(xiàn)對原子/離子運動狀態(tài)的精確控制、抑制各種外場干擾，并進行精準(zhǔn)地測量。同其它光頻標(biāo)體系相比，鈣離子的能級結(jié)構(gòu)相對簡單，實驗所需用到的激光均可由固體激光器產(chǎn)生，但對環(huán)境溫度和磁場非常敏感。
高克林研究團隊從2000年開始開展鈣離子光頻標(biāo)的研究工作，長期致力于發(fā)展高精度光頻標(biāo)，開展高精度光頻測量，力爭進入國際次級秒定義，不斷提升我國在國際時間頻率標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的影響力。
研究團隊2005年實現(xiàn)了單個鈣離子的囚禁和冷卻，2011年實現(xiàn)了中國首臺光頻標(biāo)。基于10-16光頻標(biāo)系統(tǒng)開展了鈣離子鐘躍遷光頻絕對頻率的精密測量：在沒有本地基準(zhǔn)鐘的條件下，采用基于GPS遠(yuǎn)程溯源的高精度光頻絕對值測量方案，首次用GPS載波相位觀測的精密單點定位解算進行時間頻率傳遞，實現(xiàn)了10-15量級精度的鈣離子光頻標(biāo)絕對頻率測量 [Phys. Rev. A 85, 030503(R) (2012)] ，其結(jié)果首次被CCTF采納（CCTF19-2012）。鈣離子光頻躍遷推薦值有了中國人的貢獻；2015年實現(xiàn)了精度到達10-17量級的鈣離子光頻標(biāo)[Phys. Rev. Lett. 116, 013001 (2016)]?；?span lang="EN-US" style="font-size: 12pt; line-height: 150%">GPS遠(yuǎn)程溯源實現(xiàn)了鈣離子鐘躍遷光頻絕對頻率的精密測量：其結(jié)果連續(xù)兩次被CCTF采納（CCTF20-2015；CCTF21-2017），中國的測量結(jié)果的權(quán)重不斷增加，鈣離子光頻躍遷推薦值被不斷更新，精度也不斷提高。
2020年，研究團隊成功研制一臺可搬運鈣離子光鐘，運行率高于75%，系統(tǒng)不確定度達10-17量級。實現(xiàn)了千公里級的車載搬運。精密測量院同中國計量院合作，基于可搬運鈣離子光鐘，在計量院直接利用溯源至UTC的UTC(NIM)，經(jīng)GNSS遠(yuǎn)程傳遞與飛輪鐘遠(yuǎn)程比對，首次在國際上將鈣離子鐘躍遷絕對頻率的測量不確定度推進至10-16量級 [Phys. Rev. A 102, 050802(R) (2020)]。
經(jīng)過研究團隊的不懈努力，鈣離子光頻標(biāo)躍遷頻率入選國際計量局次級秒定義的候選光頻標(biāo)，這是中國第一次推動一種新的原子躍遷頻率成為國際次級秒定義。該工作提升了我國在原子頻標(biāo)領(lǐng)域的國際影響力，也為我國在未來爭取世界時間標(biāo)準(zhǔn)定義的話語權(quán)打下了堅實的基礎(chǔ)。
Report 1: Approved by the CCTF in March 2021
Reprot 2: RECOMMENDATION CCTF PSFS 2 (2021)