钙离子光频标（光钟）

研究方向一：钙离子光频标（光钟）

光频标，又称为光钟，是基于原子/离子光频跃迁的原子钟，其参考频率（约10¹⁴–10¹⁵ Hz）比现行秒定义基准——铯喷泉钟的微波频率（约10¹⁰ Hz）高出约4–5个数量级，对应的跃迁线宽更窄，品质因子（Q值）更高。当前国际最先进光钟的系统不确定度已达10⁻¹⁸至10⁻¹⁹量级，相当于运行数百亿年误差不超过1秒。基于这一显著精度优势，国际计量局时间频率咨询委员会（CCTF）已明确以光钟重新定义秒的路线图，光钟同时也为大地测量（厘米级高程分辨）、引力红移检验、暗物质探测等精密物理前沿提供了前所未有的测量工具。在众多光钟候选体系中，钙离子（⁴⁰Ca⁺）具有独特优势：其钟跃迁（4s ²S₁/₂ – 3d ²D₅/₂，729 nm）处于可见光波段，可用成熟的半导体激光器直接操控；离子能级结构相对简单，系统误差因素的物理图像清晰，有利于实现各项频移的高精度评估与抑制；同时单离子体系避免了原子间碰撞频移的复杂影响，为实现10⁻¹⁹量级系统不确定度提供了理想的实验平台。

任务一：实验室型钙离子光钟

目前，实验室型钙离子光钟通过液氮低温环境将黑体辐射频移不确定度降低至3.5×10⁻¹⁹，结合三维边带冷却、魔幻囚禁频率抑制微运动、交替探测抵消电四极频移及精确磁场控制等多技术手段协同攻关，总系统不确定度达到4.4×10⁻¹⁹（相当于连续运行约720亿年误差不超过1秒），是目前国内外经正式公开报道的系统不确定度指标最高的光钟。该成果于2026年发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），标志着钙离子光钟进入E-19量级超高精度行列。相关研究被Reviews of Modern Physics等权威期刊综述文章引用，是我国光钟研究中唯一被该综述引用的成果；CCTF主席Dimarcq等在Metrologia综述中也将本工作列为当时达到10⁻¹⁸量级的五个光钟之一。基于该光钟的绝对频率测量结果连续4次被CCTF采纳，2021年钙离子光频跃迁被推荐为新增的国际二级秒定义参考，这是我国研究工作首次推进一种新的原子跃迁成为二级秒定义参考，显著提升了我国在应对秒定义变革方面的话语权。

图1. 液氮低温钙离子光钟黑体辐射屏蔽腔照片

任务二：可搬运钙离子光钟

面向光钟走出实验室、服务下一代秒定义和大地测量的战略需求，团队突破了光钟集成化、高鲁棒性与高精度协同优化等一系列关键技术。通过模块化架构设计、抗振超稳腔研制以及基于数字与模拟混合锁频的自动控制算法开发，实现了系统不确定度达4.8×10⁻¹⁸、运行率达97.8%的室温可搬运钙离子光钟。该光钟采用车载方式完成从武汉到北京逾1200公里的千公里级长途搬运并快速恢复运行，是继德国PTB锶原子光钟后国内外第二种实现千公里级长途搬运的光钟；其长期稳定度在50万秒平均时间下达6.3×10⁻¹⁸。基于该可搬运光钟，与北京中国计量科学研究院合作实现了不确定度达10⁻¹⁶量级的钙离子光频跃迁绝对频率测量。该光钟于2024年在武汉接受总书记检阅，其研究成果入选“2020中国光学领域十大社会影响力事件”。可搬运钙离子光钟的成功研制为厘米级大地高程测量、引力红移验证及下一代卫星导航系统等应用提供了核心频率基准支撑。

图2. 可搬运钙离子光钟照片（方舱内部）

图3. 钙离子光钟研究历程

表1. 国内外光钟系统不确定的研究现状（截止2026年7月）