10厘米硅腔在亚5K温度下实现4×10?17级激光频率稳定性的突破研究

为解决超稳激光器在精密计量和基础科学中的关键需求，北京大学研究团队通过创新设计10厘米长亚5K硅腔系统，开发"冷却-静默-淬灭"动态测量协议，成功将激光频率不稳定性降至4.3(2)×10-17，创下封闭循环制冷器内光学腔稳定性新纪录。该研究为突破10-17乃至更低稳定性极限提供了原型系统。

　　

在追求极致测量精度的科学前沿，激光频率稳定性犹如一把"光尺"，其精确度直接决定了光学原子钟、引力波探测等尖端研究的测量极限。当前，基于低温单晶硅腔的超稳激光虽已实现10^-17量级稳定性，但进一步突破面临两大瓶颈：短腔体新型涂层的物理极限难以逾越，而长腔体又受制于制冷器振动噪声。如何在保持较长腔体优势的同时驯服"热噪声"与"振动噪声"这对孪生难题，成为国际精密测量领域亟待攻克的高地。

北京大学量子材料国际研究中心张西伯团队独辟蹊径，通过构建10厘米长亚5K硅腔系统，创新性地将"增加腔长"与"降低温度"这两个传统上难以兼得的优化维度有机结合。研究团队设计出"冷却-静默-淬灭"动态测量协议，犹如给振动噪声按下暂停键，首次在持续制冷的条件下揭示了硅腔本征的10^-17级光学性能。更令人振奋的是，他们最终实现了4.3(2)×10^-17的平均频率不稳定性，计算得出9.6(3)mHz的激光线宽，这项发表于《Science Bulletin》的成果，为突破低10^-17乃至更高稳定性极限树立了新标杆。

关键技术包括：1）采用双级Gifford-McMahon闭循环制冷器实现亚5K低温环境；2）开发三边帽（TCH）频率稳定性测量方案；3）创新设计半整体式不锈钢支撑结构；4）应用周期性极化铌酸锂（PPLN）波导进行频率倍增；5）建立基于腔衰荡测量的精细度标定方法。

【10厘米硅腔的亚5K实现】研究团队设计的硅腔（代号Si1）采用沿<111>晶向的单晶硅腔间隔器，镜片曲率半径分别为∞和1米，精细度达3.6×10⁵。通过六项关键技术改进，包括超高真空环境制备、三维紧固结构设计等，成功将平台温度稳定在4.9K，腔体温度仅高出0.13K。

【动态揭示本征稳定性】创新的"冷却-静默-淬灭"测量（CQQM）协议，在暂停制冷后捕捉到6.6(1.3)×10^-17的瞬时稳定性，证明硅腔具备突破振动限制的潜力。

【振动抑制关键技术】通过水平三点紧固结构（类似核物理中的穆斯堡尔效应），将振动诱导频率噪声抑制至2×10^-17以下，使Si1b构型的稳定性较前代Si0提升两个数量级。

【4.3×10^-17稳定性突破】最终优化的Si1c构型在4-12秒平均时间内展现4.3(2)×10^-17不稳定性，接近4.9K下3.3×10^-17的热噪声极限。通过直接光学拍频测量，实证获得5.7(3)mHz的超窄线宽。

这项研究开创性地证明，通过精心设计的支撑结构和振动抑制方案，相对长的低温硅腔完全可以突破10^-17稳定性壁垒。特别值得注意的是，水平三点紧固的创新设计，本质上是通过"机械接地"策略将腔体-平台相对位移归零，这种思路对发展20厘米级更长腔体具有重要启示。研究团队建立的清洁处理规范和高真空标准，也为解决镜面污染这一行业难题提供了范本。随着1.7K乃至亚开尔文制冷技术的成熟，该研究为未来实现10^-18级稳定性铺平了道路，将显著提升光学原子钟在基础物理检验、暗物质搜寻等领域的探测灵敏度。