中国科大基于频率测量法实现超高精度分子线强度比

近日，中国科学技术大学分子精密光谱研究团队联合英国伦敦大学学院（UCL）与德国计量局（PTB）在分子精密光谱与量子计量领域取得突破性进展。其最新研究成果以“Unprecedented Accuracy in Molecular Line-Intensity Ratios from Frequency-based Measurements”为题，于9月17日在国际著名期刊《科学进展》（Science Advances）在线发表。该工作通过发展完全基于频率测量的光谱技术，将分子线强度比的测量不确定度降至0.003%，并首次实现基于光学方案、可直接溯源至玻尔兹曼常数的原级测温，统计不确定度低至0.5mK，较之前文献报道同类工作的精度提升10倍以上，为量子化学、精密测量及多学科交叉研究开辟了新范式。

图1.双波长腔模色散光谱装置示意图

研究团队开发的“双波长腔模色散光谱技术（DW-CMDS）”成功消除了测量中的共模误差，使分子跃迁强度比的测量精度达到十百万分之一水平，较此前国际最高水平（0.1%）提升近两个数量级。这一技术突破直接推动了光学测温技术的革新：基于分子光谱的热力学温度测定可直接溯源至基本物理常数，无需依赖传统温标传递，在燃烧诊断、同位素分析等计量场景中展现出巨大应用潜力。

图2.实验测量¹²C¹⁶O分子在3>>0 振动谱带线强度比值（296K）与其他理论实验结果的比较

CO分子作为迄今研究最为透彻的简单分子之一，成为检验量子化学理论的理想对象。该研究对迄今最高精度的量子化学从头算理论进行了直接检验——实验数据和之前理论计算结果存在高达0.2%的系统性偏差，而与修正后的理论计算结果间的偏差可降低到0.02%水平，但仍然明显大于实验误差。这种“近乎完美却又暗藏差异”的结果，带来了对分子偶极矩面电子关联效应的新认识，实验结果将成为标志性benchmark，指引量子化学理论和计算模型的进一步优化。

图3.基于光学方案的高精度原级测温

此项工作的核心价值在于其高度的学科交叉性：既是检验理论的“试金石”，通过实验数据验证最高精度量子化学理论预测的可靠性；也是精密光谱技术的“里程碑”，为分子物理参数测量树立新基准；更是计量学领域的“新工具”，可广泛应用于能源、环境等领域的高精度测量。《科学进展》期刊审稿人对该工作给予高度评价，称其为“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”。

研究团队表示，该技术有望进一步拓展至更复杂分子体系及极端物理条件下的测量，实现高精度的温度计量、气体与同位素分析等，助力解决量子化学、天体物理、地质化学等领域的关键科学问题。

中国科学技术大学研究生李进科、合肥国家实验室王进博士为该论文共同第一作者，胡水明教授、谈艳研究员（中国科大）、Jonathan Tennyson教授（UCL）为论文共同通讯作者。本工作得到了合肥国家实验室、国家量子科技创新、国家自然科学基金、中国科学院先导专项等资金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adz6560

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）