中国科大刷新光谱学温度计量精度纪录

近日，中国科学技术大学分子精密光谱研究团队在温度基准测量领域取得重要进展，研究团队采用全频域测量方法，实现了无线型模型依赖的ppm级精度多普勒展宽测温（DBT）。研究成果以“Cavity-Enhanced Doppler-Broadening Thermometry via All-Frequency Metrology”为题发表于《物理评论快报》。该项DBT研究成果与研究团队近期在《科学进展》（Liet al.,Sci. Adv.11, eadz6560 (2025)）上发表的线强度比测温法（LRT）工作形成互补，创造了光谱学温度计量精度的国际新纪录。

温度是国际单位制中最后一个被重新定义的基本单位，目前开尔文的定义直接基于玻尔兹曼常数。多普勒展宽测温法（DBT）作为一种重要的原级测温方法，通过测量原子或分子热运动导致的谱线展宽来直接反演温度。然而，分子碰撞效应和传统光谱测量方法的局限性一直是制约其精度提升的关键因素。

研究团队采用腔模色散光谱技术（CMDS），实现了从“光强测量”到“频率测量”的范式转变。研究团队采用模式线宽仅为0.6kHz的高精细度光学腔，选择最简单的双原子分子一氧化碳R(10)(3-0)跃迁作为测量对象，在2-17Pa的低气压条件下记录光谱数据。

实验采用低气压测量与零压外推的策略，有效剥离了分子碰撞对谱线展宽的干扰。而高精细度光腔的使用，使得测量灵敏度大幅提高，在低气压下还能获得足够的探测信噪比。

实验结果显示，DBT测温值与标准铂电阻温度计的偏差仅为-2.0±3.6mK，统计不确定度7ppm，系统不确定度9ppm，首次将系统不确定度控制到10ppm以内。值得注意的是，即使采用不同的线型模型（高斯、Voigt或速度依赖Voigt模型）进行分析，压力外推后结果都呈现出良好的一致性，表明该方法摆脱了对线型模型的依赖。这是该领域一个长期存在的系统性难题，而前期国际上多个研究组的相关工作都受限于该效应。

图1 不同线型拟合结果下的DBT温度（T_DBT）与热传感器读数（T₉₀）的对比

该工作得到审稿人的高度评价：“这是从20年前提出DBT方法以来最重要的概念性突破”。这项工作建立的测量平台不仅为温度计量提供了新标准，还将应用于分子碰撞物理研究、大气环境遥感监测等多个领域。特别值得一提的是，该技术为验证分子碰撞理论提供了前所未有的高精度平台，对大气遥感、气体计量等学科发展具有重要意义。研究团队表示，这一系列温度计量突破性进展展示了我国在量子计量领域的技术创新能力，为未来温度量子计量的新标准奠定了坚实基础。

中国科大合肥微尺度物质科学研究中心的博士生黄琪和合肥国家实验室的王进博士为该论文共同第一作者，王进博士与合肥微尺度物质科学研究中心的胡水明教授为共同通讯作者。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/10.1103/cy84-v69x

（合肥微尺度物质科学国家研究中心）