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光鐘利用原子或離子的穩定能級躍遷作為頻率參考，是迄今人類能夠實現精度最高的時間計量裝置。其系統不確定度直接決定了未來時間頻率基準的準確性和可靠性。在眾多光鐘體系中，鈣離子能級結構相對簡單，且存在“魔幻囚禁頻率”。然而，將這些理論優勢真正轉化為工程化的極限性能，仍需攻克黑體輻射頻移與離子熱運動（宏運動）精密控制等關鍵技術挑戰。近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究團隊研制的第二代液氮低溫鈣離子光鐘的總系統，不確定度達4.4E-19，相當于連續運行約720億年誤差不超過1秒，是目前報道的不確定度指標最高的光鐘。這一指標的達成，驗證了液氮低溫技術路線的可行性和優越性，為光鐘發展提供了新的技術范式。研究團隊創新性地發展了液氮低溫技術路線。與室溫環境相比，該路線將離子運行環境降低至液氮溫區（約80K），理論上可使黑體輻射強度降低約200倍，從本質上降低了黑體輻射頻移。在前期成功實現3E-18不確定度的基礎上，團隊在第二代系統中實現了性能提升。在熱控制方面，團隊對光鐘的機械結構、熱連接方案和溫度監測體系進行了精密設計，通過采用高導熱材料、優化熱平衡路徑、構建熱學復刻裝置進行原位比對測量，將離子微環境的溫度評估為79.5±1.5K，使黑體輻射頻移不確定度降至3.5E-19。在熱運動控制方面，團隊實現了三維邊帶冷卻技術，將離子冷卻至接近運動基態，結合低溫環境下明顯抑制的電場噪聲（加熱率低于1.3聲子數/秒），將二階多普勒頻移不確定度降低至4E-20。在磁場控制方面，團隊通過高精度光鐘頻率比對，測得二階塞曼系數，結合精確磁場控制，將相關不確定度控制在5E-20。研究團隊進一步通過多技術手段，協同實現了對其他系統誤差的抑制和評估。團隊采用“魔幻囚禁頻率”抑制微運動效應，采用Hyper Ramsey光譜技術消除激光頻移和AOM啁啾頻移，交替探測多對塞曼躍遷抵消電四極頻移，并運用最新量子散射理論評估背景氣體碰撞影響。該研究成果標志著鈣離子光鐘的不確定度指標進入E-19量級。在基礎研究領域，更高精度的光鐘將提升對基本物理定律檢驗的靈敏度，為探索超越標準模型的新物理提供更精確的工具。在計量應用方面，該研究為基于光鐘重新定義國際單位制“秒”提供了技術支撐。在工程應用層面，這一突破為發展下一代重力測量、精密導航定位等領域提供了核心頻率基準。相關研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院等的支持。論文鏈接液氮低溫鈣離子光鐘