应用于光钟的镱原子深度冷却与精密操控研究

本申请瞄准冷原子光钟这一当前国际前沿研究课题，开展冷镱原子光钟中一些关键技术及基本物理问题的研究工作，希望能突破目前限制原子光钟精度进一步提高的一些瓶颈。实验测量与理论分析结果已表明，目前中性原子钟精度的进一步突破已受限于黑体辐射频移、冷原子之间的碰撞频移、光晶格中高阶光频移等因素。为此，本申请项目将重点对存在于镱原子光钟中这些效应开展理论和实验研究，一方面将从理论上深入分析黑体辐射频移、碰撞频移等对镱原子光钟频率不确定度的影响，另一方面将从实验上采取相应措施如镱原子的深度冷却、光晶格的优化设计和镱原子的精密操空等消除或降低这些效应带来的影响，为最终研制成高精度的镱原子光钟创造条件，同时也为其它类型原子光钟相似效应消除提供可参考的方案。本项目希望能为我国早日拥有自主知识产权的高精度的原子光钟作出贡献，以使我国在国际新一轮频标技术竞赛中有一席之地，对一些计量单位重新定义有我们中国人的贡献。

光频标的研究已取得重大进展，频率稳定性和不确定性都已进入E-18水平，超越当前最好的铯喷泉原子钟性能指标。为此，国际组织正在考虑修改秒的定义，同时已把七种原子或离子选为秒的次级定义，作为将来秒新定义的候选者，镱原子就是其中之一。本项目通过对镱原子开展激光冷却和量子操控等实验和理论研究，为研制高精度镱原子光钟提供关键技术。首先对镱原子的一级和二级激光冷却和囚禁，包括镱原子束的二维准直和塞曼减速等过程进行优化研究，获得近千万个原子、温度为几个微开的冷镱原子团，这是目前同类实验最好结果之一。然后，对冷镱原子在光晶格中的动力学过程进行研究，并实现了冷镱原子在一维、二维和三维光晶格中的有效装载。随后，对冷镱原子在一维光晶格中的钟跃迁谱进行了探测和优化。借助于激光的抽运效应和归一化测量方法提高钟跃迁谱的信噪比；通过降低钟激光功率抑制谱的功率增宽效应；通过补偿杂散磁场消除塞曼效应的影响；通过增加钟激光与冷镱原子的相互作用时间降低了傅里叶极限。最终，在两套冷镱原子光钟装置上都获得谱宽为几赫兹的钟跃迁谱，接近于对应的傅里叶极限和钟激光本身线宽。利用自旋极化技术进一步提高钟跃迁谱的信噪比，通过优化极化光的频率失谐和功率以及外加磁场的大小，对基态冷镱原子实现了近90%的自旋极化。在此基础上, 实现了两套冷镱原子光钟的闭环锁定，并可连续长期运行十小时以上。无论是使用自比对方法，还是两套冷镱原子光钟间的比对，结果表明冷镱原子钟光钟的频率稳定性已进入E-17水平。区别于国际上现行的黑体辐射频移评估方法，提出并实施了腔体外表面温度精确测量与腔内冷原子处温度数值模拟相结合的新方法，获得黑体辐射频移不确定度在E-17水平。对光晶格光产生的频移，不仅进行理论分析，而且还进行实验精确测量；同时还在实验上测量了冷镱原子光晶格的魔术波长，与国际上其它小组已报道值吻合。对磁场引起的一阶和二阶塞曼频移，通过实验进行细致测量，结果塞曼频移不确定度在E-17水平。对冷镱原子之间碰撞引起的频移进行实验测量，频移不确定度也在E-17水平；还提出可进一步有效抑制碰撞频移的方法。此外，对其它引起频移的效应都进行测量和分析，最终冷镱原子光钟总的频率不确定度优于2E-16。研究表明，通过对镱原子的激光冷却和量子操控，获得的冷镱原子光钟性能已到达国际先进水平，这将为我国在秒的新定义竞争中获得话语权创造有利条件。