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【深度】冷镱原子精密光谱的研究进展

导读: 自2008 年成功获得冷镱原子以来,沿着研制冷原子光钟这一方向,我们在镱原子的激光冷却与囚禁、光晶格中冷镱原子的量子操控、冷镱原子钟跃迁谱的精密测量、冷镱原子光钟的闭环锁定和频率稳定性测量等方面取得了新的进展,下面将分别进行具体介绍。

  1 引言

  20 世纪末,科学家们利用激光实现了原子的冷却和囚禁,并因此荣获1997 年诺贝尔物理学奖。将冷原子应用于光谱测量可极大提高光谱的精度和分辨率,非常适合用来精确研究原子的内部结构和物理性质,检验基础物理规律和探索新的物理。一方面,原子经过激光冷却后运动速度减小,可冷却至μK、nK甚至pK的温度,原子外态运动对光谱的影响大为减弱,有效地抑制了原子能级的频移与展宽。另一方面,将冷原子囚禁于势阱中,使得原子运动与外界环境隔离而局域化,原子内态的制备具有灵活的可操控性。目前,冷原子精密光谱学已广泛应用于物质波干涉、量子信息存储、原子钟等研究领域,俨然成为现代物理学发展的基础和前沿。期间出现了许多令人瞩目的研究成果,突出表现为12 年内有3 次诺贝尔物理学奖研究工作与冷原子物理有关, 分别是2001 年的“ 玻色— 爱因斯坦凝聚”,2005 年的“光学频率梳”和2012 年的“单离子囚禁”。

  对冷原子精密光谱学的研究加快了原子钟的发展,开辟了基于冷原子的频标体系。从磁选态到光抽运选态再到冷原子的喷泉,人们得以建立基准铯原子频标, 并由此定义了国际单位制“秒”,使频率和时间成为测量最为精确的物理量。近年来,原子钟的研究又有了新的思路——利用中性原子或离子内禀高Q值的光频跃迁研制光学原子钟,以获得前所未有的频率准确度和稳定度。发展至今,最好的光学原子钟其频率稳定性已经超越了微波原子钟,系统不确定度在10-18量级。除了有望成为下一代时间频率标准外,光学原子钟也可被用来研究基础物理中如精细结构常数是否变化、引力红移等问题。

  实现光学原子钟的方案主要有两种:一种是离子光钟,采用电磁阱囚禁单个离子的光谱;另一种是中性冷原子光钟,采用光晶格囚禁大量中性原子的光谱。由于囚禁在阱中的单离子几乎不受外界环境影响,离子光钟可获得极高的频率不确定度,如美国国家标准技术研究所(NIST)的27Al+离子光钟频率不确定度为8.6×10-18,德国联邦技术物理研究所(PTB)的171Yb+离子光钟频率不确定度达到3.2×10-18,中国科学院武汉物理与数学研究所研制的40Ca+离子光钟频率不确定度在10-17水平。不过,单个离子产生的光谱信噪比相比大量原子的要差,因而在频率稳定性方面,一般认为中性原子光钟要优于单离子光钟。碱土金属Sr、Ca、Mg和类碱土金属Yb、Hg都具有超窄线宽的1S0-3P0钟跃迁,是中性原子光钟的理想候选元素。然而,要获得这些原子的高Q值钟跃迁谱线并不十分简单。原子经过激光冷却后温度降为几十μK至几μK,虽然多普勒效应大为减小,但若是直接在自由空间进行探测,仍然无法发挥钟跃迁谱线高Q值的优点。原因主要有两点:一是原子的可探询时间受重力的影响变得很短,二是原子钟跃迁的激发存在严重的多普勒展宽,比如对于10 μK温度的原子,一阶多普勒展宽就有几十kHz。当魔术波长的光晶格被提出用来囚禁冷原子后,中性原子光钟的研制迎来了新的曙光,近十多年来得到了飞速的发展。

  在世界范围内,实验研究最广泛的是一维光晶格的87Sr 原子光钟,研究单位包括美国的实验天体物理联合研究所(JILA)、日本的理化研究所(RIKEN)、法国的巴黎天文台(LNE-SYRTE)、德国的PTB、日本的国家信息与通信技术研究所(NICT)、日本的国家计量院(NMIJ)和中国计量院等。另外,也有众多单位在研制171Yb、88Sr 和199Hg 等原子光钟,国内主要有华东师范大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学院国家授时中心、中国科学院上海光学精密机械研究所等。目前,世界上至少有九家单位在研制171Yb光钟,其中美国的NIST、日本的RIKEN、日本的NMIJ和韩国标准科学研究院(KRISS)都已获得冷171Yb原子的钟跃迁谱线,并完成了光钟的评估工作。

  自2008 年成功获得冷镱原子以来,沿着研制冷原子光钟这一方向,我们在镱原子的激光冷却与囚禁、光晶格中冷镱原子的量子操控、冷镱原子钟跃迁谱的精密测量、冷镱原子光钟的闭环锁定和频率稳定性测量等方面取得了新的进展,下面将分别进行具体介绍。

  2 镱原子的激光冷却与囚禁

  2.1 镱原子的一级冷却

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责任编辑:Zack
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