精密分子光谱方法测定波尔兹曼常数

The International Committee for Weights and Measures adopted a recommendation on redefining the base units like Kelvin using fundamental constants including the Boltzmann constant kB. The kB value recommended by the Committee on Data for Science and Technology (CODATA) has a standard relative uncertainty of 0.91ppm, with an overwhelming contribution from the acoustic gas thermometry method. Since a single method can probably bring a systematic deviation, there is an urgent need of independent determination of kB through a totally different approach. The Doppler Broadening Thermometry is a new rising method for this purpose. But the direct absorption spectroscopy can hardly achieve an accuracy of ppm level, due to insufficient sensitivity and nonlinearity effects. Based on our previous related studies, we propose, using the laser-locked cavity ring-down spectroscopy combined with a temperature-stabilizing system of 1mK precision, and we will be able to measure the profile of a molecular ro-vibrational transition in the infrared with an accuracy of a few ppm. It will allow us to determine the Boltzmann constant with a precision better than 7 ppm, which could be probably included in CODATA and the new definition of Kelvin. The method can also be applied in precision spectroscopy of molecules, and exploring a new standard of thermodynamic temperatures.

国际计量委员会将基于基本物理常数重新定义开尔文等基本单位，玻尔兹曼常数kB是其中之一。国际科技数据委员会（CODATA）最新kB推荐值的标准相对不确定度0.91ppm，其中绝大部分权重来自于声学共鸣法测量结果。由于单一方法可能带来系统性偏差，目前迫切需要原理完全不同的实验方法来测定kB。通过分子跃迁谱线的多普勒展宽来测量kB，是一种新的全光学测量方案。但是直接吸收光谱方法存在灵敏度不足、测量非线性等限制，很难达到ppm精度。根据我们的分析和前期工作，我们提出，基于我们自己所发展的激光锁频的光腔衰荡光谱方法，结合1mK级的精密温控技术，通过测量分子近红外振转吸收谱线，可实现ppm级精度的光谱跃迁线形测量。我们计划将kB测定至7ppm以下，从而有望进入CODATA，并影响开尔文的新定义。该方法还可被应用于分子精密光谱测量，以及作为新型热力学温度基准方法的研究。

本项目通过发展高灵敏、超精密的光腔衰荡光谱探测技术方法，对分子光谱线形开展精密测量，并基于分子光谱测定玻尔兹曼常数，开展作为新型热力学温度标准方面的研究。取得的主要进展包括：结合激光锁频和光频梳技术，提出了光频梳稳定的高精密光腔衰荡光谱探测方法，同时实现亚kHz的激光频率控制精度和GHz范围的光谱扫描；探测灵敏度进入10^-12/cm水平；利用该系统测定分子多普勒展宽，统计误差进入ppm水平，对相关系统不确定度进行了分析，并提出了改进方法；利用所建立的实验装置，测量了CO、H2O等分子部分近红外振转谱线的饱和吸收光谱，将谱线中心测定到10^-12精度，超过国际推荐的近红外分子谱线频率精度约一个量级；首次获得了氢分子异核同位素HD的泛频振转跃迁的饱和吸收光谱，将该跃迁频率测定至4x10^-10，“开辟了在四体系统中检验QED的道路”，并指出可以基于该跃迁频率测定质子-电子质量比这一无量纲的基本物理常数。