中國科大刷新光譜學(xué)溫度計量精度紀(jì)錄
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)分子精密光譜研究團(tuán)隊在溫度基準(zhǔn)測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究團(tuán)隊采用全頻域測量方法，實現(xiàn)了無線型模型依賴的ppm級精度多普勒展寬測溫（DBT）。研究成果以“Cavity-Enhanced Doppler-Broadening Thermometry via All-Frequency Metrology”為題發(fā)表于《物理評論快報》。該項DBT研究成果與研究團(tuán)隊近期在《科學(xué)進(jìn)展》（Liet al.,Sci. Adv.11, eadz6560 (2025)）上發(fā)表的線強(qiáng)度比測溫法（LRT）工作形成互補(bǔ)，創(chuàng)造了光譜學(xué)溫度計量精度的國際新紀(jì)錄。
溫度是國際單位制中最后一個被重新定義的基本單位，目前開爾文的定義直接基于玻爾茲曼常數(shù)。多普勒展寬測溫法（DBT）作為一種重要的原級測溫方法，通過測量原子或分子熱運動導(dǎo)致的譜線展寬來直接反演溫度。然而，分子碰撞效應(yīng)和傳統(tǒng)光譜測量方法的局限性一直是制約其精度提升的關(guān)鍵因素。
研究團(tuán)隊采用腔模色散光譜技術(shù)（CMDS），實現(xiàn)了從“光強(qiáng)測量”到“頻率測量”的范式轉(zhuǎn)變。研究團(tuán)隊采用模式線寬僅為0.6kHz的高精細(xì)度光學(xué)腔，選擇最簡單的雙原子分子一氧化碳R(10)(3-0)躍遷作為測量對象，在2-17Pa的低氣壓條件下記錄光譜數(shù)據(jù)。
實驗采用低氣壓測量與零壓外推的策略，有效剝離了分子碰撞對譜線展寬的干擾。而高精細(xì)度光腔的使用，使得測量靈敏度大幅提高，在低氣壓下還能獲得足夠的探測信噪比。
實驗結(jié)果顯示，DBT測溫值與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的偏差僅為-2.0±3.6mK，統(tǒng)計不確定度7ppm，系統(tǒng)不確定度9ppm，首次將系統(tǒng)不確定度控制到10ppm以內(nèi)。值得注意的是，即使采用不同的線型模型（高斯、Voigt或速度依賴Voigt模型）進(jìn)行分析，壓力外推后結(jié)果都呈現(xiàn)出良好的一致性，表明該方法擺脫了對線型模型的依賴。這是該領(lǐng)域一個長期存在的系統(tǒng)性難題，而前期國際上多個研究組的相關(guān)工作都受限于該效應(yīng)。
圖1 不同線型擬合結(jié)果下的DBT溫度（TDBT）與熱傳感器讀數(shù)（T??）的對比
該工作得到審稿人的高度評價：“這是從20年前提出DBT方法以來最重要的概念性突破”。這項工作建立的測量平臺不僅為溫度計量提供了新標(biāo)準(zhǔn)，還將應(yīng)用于分子碰撞物理研究、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測等多個領(lǐng)域。特別值得一提的是，該技術(shù)為驗證分子碰撞理論提供了前所未有的高精度平臺，對大氣遙感、氣體計量等學(xué)科發(fā)展具有重要意義。研究團(tuán)隊表示，這一系列溫度計量突破性進(jìn)展展示了我國在量子計量領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力，為未來溫度量子計量的新標(biāo)準(zhǔn)奠定了堅實基礎(chǔ)。
中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)研究中心的博士生黃琪和合肥國家實驗室的王進(jìn)博士為該論文共同第一作者，王進(jìn)博士與合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)研究中心的胡水明教授為共同通訊作者。本工作得到了合肥國家實驗室、國家量子科技創(chuàng)新、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項等資金的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/cy84-v69x
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心）
本文鏈接：http://www.albanygandhi.com/news-1-13506.html中國科大刷新光譜學(xué)溫度計量精度紀(jì)錄
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