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。”
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