中國科大刷新光譜學溫度計量精度紀錄

近日，中國科學技術大學分子精密光譜研究團隊在溫度基準測量領域取得重要進展，研究團隊采用全頻域測量方法，實現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《科學進展》（Liet al.,Sci. Adv.11, eadz6560 (2025)）上發表的線強度比測溫法（LRT）工作形成互補，創造了光譜學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。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致的譜線展寬來直接反演溫度。然而，分子碰撞效應和傳統光譜測量方法的局限性一直是制約其精度提升的關鍵因素。

研究團隊采用腔模色散光譜技術（CMDS），實現了從“光強測量”到“頻率測量”的范式轉變。研究團隊采用模式線寬僅為0.6kHz的高精細度光學腔，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據。

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。

實驗結果顯示，DBT測溫值與標準鉑電阻溫度計的偏差僅為-2.0±3.6mK，統計不確定度7ppm，系統不確定度9ppm，首次將系統不確定度控制到10ppm以內。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，壓力外推后結果都呈現出良好的一致性，表明該方法擺脫了對線型模型的依賴。這是該領域一個長期存在的系統性難題，而前期國際上多個研究組的相關工作都受限于該效應。

圖1 不同線型擬合結果下的DBT溫度（TDBT）與熱傳感器讀數（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準，還將應用于分子碰撞物理研究、大氣環境遙感監測等多個領域。特別值得一提的是，該技術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、氣體計量等學科發展具有重要意義。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域的技術創新能力，為未來溫度量子計量的新標準奠定了堅實基礎。

中國科大合肥微尺度物質科學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科學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、國家量子科技創新、國家自然科學基金、中國科學院先導專項等資金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/cy84-v69x

（合肥微尺度物質科學國家研究中心）