波兰哥白尼大学开发深低温激光光谱系统，精度达超高水平

    2026年3月9日，诺瓦克·哥白尼大学（NCU）研究人员开发出一套新型系统，可将领先的激光光谱技术应用于低温环境，用于分子量子理论研究，测量精度实现重要提升。该成果的核心，在于团队对光谱仪结构的创新设计与极端环境适配技术的突破。

    研究团队物理学家构建了基于光学腔的高灵敏度光谱仪，将其运行范围拓展至深低温环境。实验显示，该仪器可在低至4K（约合-269℃）条件下稳定运行，该温度接近绝对零度。
    彼得·维西洛（PiotrWcislo）教授是尼古拉斯·哥白尼大学物理研究所该研究小组负责人，带领团队攻克了深低温环境下光谱测量的多项技术难点。（照片由NCU/安杰伊·罗曼斯基提供）

    极低温环境为高精度光谱测量提供了有利条件。在该温度下，分子运动速度显著减缓，多普勒效应大幅减弱，光谱特征得以清晰呈现，吸收特征更易识别；同时，分子可访问的运动状态减少，光谱结构更简洁，气态杂质也不易对测量形成干扰，复杂光谱的解读难度进一步降低，为分子量子理论研究提供了优质环境。
    为保障测量稳定性与准确性，研究人员将光学腔置于专门设计的79厘米长铜真空室中。内腔通过细钛支架悬挂，可有效减少热输入并抑制振动，这是高精度测量的重要基础，机械干扰可能影响测量结果的可靠性。此外，团队还配置了专用激光器（光参量振荡器），用于产生实验所需波长的光。
    光频校准与控制是实现精准测量的关键环节。“我们通过频率稳定技术，将光高精度调谐至与腔体匹配，”哥白尼大学原子、分子与光学物理主席彼得·维西洛教授介绍，“随后，将该光的频率与光频梳的频率进行比对。光频梳可基于激光系统高精度测量光频，其参考了氢微波放大器——一种与官方UTC时间同步的高精度原子钟，这使得被测光的频率具备了较高的时间参考基准。”

    基于上述设计，整套系统可对分子特性进行高精度测量，同时实现对温度、机械稳定性和频率稳定性的有效控制。
    在系统研发过程中，团队面临多项挑战。维西洛教授表示，研究的核心难点并非单纯冷却气体，而是对整个测量系统的冷却——包括腔体镜子及控制腔长度的相关机制。
    “需确保所有组件温度一致，维持热力学平衡，同时有效隔离仪器与振动、外部干扰，尤其是低温冷却系统产生的干扰。最终，团队成功研发出可在极端低温条件下稳定运行、具备较高测量精度的光谱仪，”他补充道。
    完成技术攻关后，研究人员选择分子氢作为低温实验对象。作为结构简单的分子，分子氢的结构可通过第一性原理计算，是测试分子量子力学和量子电动力学原理的理想体系，实验结果具有重要的基础研究价值。
    目前，该团队已利用该技术取得了具有物理意义的研究成果。“我们以较高精度测试了四体系统的量子理论，”维西洛教授表示，“在此之前，尚未有团队在如此低的温度、完全热平衡的条件下，开展过类似高分辨率的腔增强光谱分析。”
    该技术不仅实现了现有研究的进展，更开辟了全新的研究方向，后续应用潜力值得关注。目前，全球范围内暂无其他研究团队实现类似技术突破。

    基于该技术，哥白尼大学研究人员正开展超精确量子化学测试研究，涵盖更复杂系统（如分子间相互作用）的量子力学计算。团队旨在深入探索原子与分子的相互作用机制，以及其在碰撞过程中的行为特征。极低温度下会显现独特的量子效应，当前部分实验结果与理论预测存在差异，相关原因仍待进一步探索。
    除量子化学领域外，该技术还可助力天文学家与天体物理学家获取研究行星、行星卫星及系外行星大气层所需的分子数据，为相关领域研究提供技术支撑。
    此外，该技术对国际单位制（SI）标准制定也可能产生重要影响。维西洛教授介绍，2019年国际单位制发生重大变革，多数SI单位不再基于物理实物基准（如巴黎附近的国际千克原器），转而依托物理定律与自然界基本常数定义。例如，千克现通过普朗克常数的固定数值界定。
    “当前全球相关领域正开展技术探索，力争为SI单位建立更精准的量子标准，”维西洛教授表示，“我们开发的技术，在相关技术探索中具备一定优势。而技术的实际应用并非研究的核心目标，团队的根本方向是推动知识边界拓展，深化对现实本质的理解。”