精密测量院在铝离子光钟精密测量领域取得重要进展

近日，精密测量院离子光频标研究组与原子分子外场理论研究组合作，在铝离子光钟精密测量研究中取得重要进展。研究团队首次提出了一种具有普适性的 “极化率天平”测量方案，实现离子极化率之差的高精度测量。基于该方案，团队利用Ca⁺离子作为“参考砝码”，通过测量囚禁在同一个离子阱中的Ca⁺和Al⁺离子的光频移之比，高精度地确定了Al⁺离子钟跃迁的极化率之差这一学术难题。相关研究成果近期发表在了国际著名期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

光频标钟跃迁上态和下态的静态极化率之差是评估光频标体系黑体辐射频移所需的重要参数，其不确定度是高精度光频标的系统不确定度的重要来源之一。极少数离子光钟体系（如Ca⁺和Sr⁺）的静态极化率之差为负值，可以采用“魔幻射频囚禁场”方案高精度测量其钟跃迁的静态极化率之差，精密测量院高克林研究团队于2019年测得Ca⁺钟跃迁静态极化率之差的不确定度仅为0.029%。而对于大多数离子光钟体系钟跃迁的静态极化率之差，通常只能通过理论计算或传统的光频移测量方案得到。对于Al⁺钟跃迁的静态极化率之差，此前最好的理论计算值的不确定度为9.8%，2019年美国NIST实验测量值的不确定度为13.4%，其测量精度主要受限于背景激光的功率波动和光功率密度的测量精度。

研究团队创造性地提出一种基于“原位”测量的“极化率天平”测量方案，通过测量共同囚禁在同一个离子阱中的两种离子光频移的比值来测得其极化率之差的比值，利用离子阱轴向通光的方法达到完全消除了背景光功率波动和光功率密度误差带来的影响，巧妙地将Ca⁺钟跃迁极化率之差的高精度特性传递给Al⁺钟跃迁的极化率之差测量，最终将铝离子静态极化率之差测量值测量精度提高到3.4%，比美国NIST在2019年的测量精度提高4倍。理论分析预言，若采用波长更长的背景光，能继续将测量精度进一步提高。

这一测量方案可以推广至任意离子体系，对离子光钟黑体辐射频移的高精度评估具有重要的意义，PRL审稿人对本工作均给予了高度评价 “this technique will be a "must-have" for any ion atomic clock species, and the paper will therefore represent a "must-read" for researchers working on optical atomic clocks.”（“这项技术适合于任何离子光钟黑体辐射频移研究，因此这篇论文将是从事光学原子钟研究的研究人员的必读之作。”）。

“极化率天平”测量方案

左图为实验原理，通过测量同一线形离子阱中两种离子光频移的比值，得到其极化率之差的比值，由于参考离子的极化率之差已知且具有极高的精度，由此精确推算待测离子的极化率之差，最终实现高精度的传递；

右图为Al⁺离子钟跃迁极化率之差的实验测量结果，其不确定度为3.4%，比NIST在2019年的测量精度提高4倍

该研究成果以“Improved measurement of the differential polarizability using the co-trapped ions”为题发表在国际著名学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。魏远飞和晁思嘉为共同第一作者，黄学人、曹健和李承斌为共同通讯作者。

Al⁺离子光频标的研究长期得到科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等部门长期以来的大力支持。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/accepted/b807fYeeY391b682262428f13faba74d1fab43ebd