中國科大刷新光譜學(xué)溫度計量精度紀錄

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)分子精密光譜研究團隊在溫度基準(zhǔn)測量領(lǐng)域取得重要進展，研究團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研究成果與研究團隊近期在《科學(xué)進展》（Liet al.,Sci. Adv.11, eadz6560 (2025)）上發(fā)表的線強度比測溫法（LRT）工作形成互補，創(chuàng)造了光譜學(xué)溫度計量精度的國際新紀錄。

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。

研究團隊采用腔模色散光譜技術(shù)（CMDS），實現(xiàn)了從“光強測量”到“頻率測量”的范式轉(zhuǎn)變。研究團隊采用模式線寬僅為0.6kHz的高精細度光學(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。研究團隊表示，這一系列溫度計量突破性進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博士為該論文共同第一作者，王進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）