【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)分子精密光譜研究團(tuán)隊聯(lián)合英國倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)與德國計量局(PTB)在分子精密光譜與量子計量領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。其最新研究成果以“Unprecedented Accuracy in Molecular Line-Intensity Ratios from Frequency-based Measurements”為題，于9月17日在國際著名期刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)在線發(fā)表。該工作通過發(fā)展完全基于頻率測量的光譜技術(shù)，將分子線強(qiáng)度比的測量不確定度降至0.003%，并首次實現(xiàn)基于光學(xué)方案、可直接溯源至玻爾茲曼常數(shù)的原級測溫，統(tǒng)計不確定度低至0.5mK，較之前文獻(xiàn)報道同類工作的精度提升10倍以上，為量子化學(xué)、精密測量及多學(xué)科交叉研究開辟了新范式。
圖1.雙波長腔模色散光譜裝置示意圖
研究團(tuán)隊開發(fā)的“雙波長腔模色散光譜技術(shù)(DW-CMDS)”成功消除了測量中的共模誤差，使分子躍遷強(qiáng)度比的測量精度達(dá)到十百萬分之一水平，較此前國際最高水平(0.1%)提升近兩個數(shù)量級。這一技術(shù)突破直接推動了光學(xué)測溫技術(shù)的革新：基于分子光譜的熱力學(xué)溫度測定可直接溯源至基本物理常數(shù)，無需依賴傳統(tǒng)溫標(biāo)傳遞，在燃燒診斷、同位素分析等計量場景中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。
圖2.實驗測量12C16O分子在3>>0 振動譜帶線強(qiáng)度比值(296K)與其他理論實驗結(jié)果的比較
CO分子作為迄今研究最為透徹的簡單分子之一，成為檢驗量子化學(xué)理論的理想對象。該研究對迄今最高精度的量子化學(xué)從頭算理論進(jìn)行了直接檢驗——實驗數(shù)據(jù)和之前理論計算結(jié)果存在高達(dá)0.2%的系統(tǒng)性偏差，而與修正后的理論計算結(jié)果間的偏差可降低到0.02%水平，但仍然明顯大于實驗誤差。這種“近乎完美卻又暗藏差異”的結(jié)果，帶來了對分子偶極矩面電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的新認(rèn)識，實驗結(jié)果將成為標(biāo)志性benchmark，指引量子化學(xué)理論和計算模型的進(jìn)一步優(yōu)化。
圖3.基于光學(xué)方案的高精度原級測溫
此項工作的核心價值在于其高度的學(xué)科交叉性：既是檢驗理論的“試金石”，通過實驗數(shù)據(jù)驗證最高精度量子化學(xué)理論預(yù)測的可靠性；也是精密光譜技術(shù)的“里程碑”，為分子物理參數(shù)測量樹立新基準(zhǔn)；更是計量學(xué)領(lǐng)域的“新工具”，可廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)境等領(lǐng)域的高精度測量?！犊茖W(xué)進(jìn)展》期刊審稿人對該工作給予高度評價，稱其為“an outstanding piece of experimental work……”“publication of this tour de force”“This is an astonishing result, and is well above the bar for publication in Science Advances”。
研究團(tuán)隊表示，該技術(shù)有望進(jìn)一步拓展至更復(fù)雜分子體系及極端物理條件下的測量，實現(xiàn)高精度的溫度計量、氣體與同位素分析等，助力解決量子化學(xué)、天體物理、地質(zhì)化學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生李進(jìn)科、合肥國家實驗室王進(jìn)博士為該論文共同第一作者，胡水明教授、談艷研究員(中國科大)、Jonathan Tennyson教授(UCL)為論文共同通訊作者。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。
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