光晶格囚禁锶原子频率标准

In all kinds of physics quantities measurements, time and frequency measurement has the highest precision. Many other physics quantities are converted to time and frequency to improve their measurement precision, so time and frequency measurement is the base of precision measurement physics. This project will research on laser-cooling strontium optical lattice optical frequency standard based on previous long time studies. The locking, uncertainty budget and comparison techniques of strontium optical frequency standard will be explored. The project will focus on precise evaluation of the black-body radiation shift and collisional shift uncertainties which limit the overall uncertainty of the up-to-date optical frequency standards, and bring the accuracy of the strontium optical frequency standard to enter E-18 level within 4 years. This will provide a very important technical preparation and reference measurements for the possible redefinition of the unit, Second, after 2019. Black-body radiation shift uncertainty is the most significant uncertain source of the current strontium optical clocks. This project will introduce the method of diffraction of the atomic beam by laser light, replacing the common mechanical shutters used in most design. This will eliminate the black body radiation from the atomic oven and the heating window seen by the cooled atoms. A Zeeman slower based on permanent magnets with zero power consumption will replace the coils based one. All these measures will improve the homogeneity of the black body radiation environment of the atoms and thus lower the black body radiation uncertainty of strontium optical lattice frequency standard.

时间频率在所有物理量中测量准确度最高，其它许多物理量都被转化成时间频率来加以测量，因此时间频率研究是精密测量物理领域各种高精度测量的基石。本项目将在已有研究的基础上自主研制激光冷却锶原子光晶格时间频率标准，掌握锶原子光晶格频标研究的锁定技术、不确定度评估技术和比对技术，探索进一步突破限制现有不确定度指标（冷碰撞频移和黑体辐射频移）的关键问题。在未来4年的时间内，使锶原子光频标的频率准确度进入E-18量级，为应对2019年以后秒定义修改打好技术基础，为国际新的秒定义提供数据参考。黑体辐射频移是限制目前锶原子光晶格频率标准的最大不确定度来源，本项目拟通过激光偏转原子的方法，代替目前国际通常采用的机械快门原子开关，消除高温原子炉和高温窗口等发射的黑体辐射对原子跃迁的影响，并建立永磁铁塞曼减速器，降低系统能耗，使得原子的黑体辐射环境温度统一，将减小黑体辐射频移的不确定度。

时间频率是国际单位制七个基本单位之一。时间频率研究在精密测量物理领域起到了举足轻重的作用，是各种高精度测量的基石。目前国际上秒定义在铯原子基态超精细跃迁上。国际计量局计划在2028 年开始讨论修改秒定义。基于囚禁离子或光晶格囚禁原子的光频标被公认为是下一代时间频率基准钟，而基于锶原子的光晶格频率标准是最有竞争力的候选。建立高准确度锶原子光频标实验装置，将进一步提高我国相关科技领域的自主研究水平，保持我国时间频率科学研究的水平和国际地位，争取在时间频率基本单位秒的重新定义问题上发挥我国作为科研大国应有的作用。. 高准确度的时间频率标准是国民经济建设、国防建设和科学研究的重要技术基础,在全球卫星导航系统、深空探测、高速通信、电力电网等领域都会产生重要的应用。可以在更高的精度上测量里德堡常数R、朗德因子g、荷质比e/m、超精细结构常数α等物理常数，在更高精度上检验量子理论。.课题组引入基于环形永磁铁的塞曼减速器，建立光晶格囚禁的锶原子光钟系统。利用30cm长参考腔进行钟跃迁激光线宽压窄，线宽窄于2.5 Hz；利用此超稳定钟跃迁激光扫描获得原子跃迁谱线，线宽最窄达到约1.8 Hz。实现了光晶格钟的闭环锁定，将钟跃迁激光频率锁定到原子跃迁谱线上。利用自比较方式获得钟的测量稳定度进入E-18@40000 s。对光晶格钟进行系统评估，对黑体辐射、原子碰撞、晶格光Stark效应、塞曼效应等引起的系统频移进行测量和计算，得到总系统不确定度为2.3E-16。以氢钟作为飞轮，利用当前时间频率基准铯原子喷泉钟对锶光钟进行绝对频率测量。经过5次共约50000 s的测量时间，得到锶原子钟跃迁的绝对频率为429228004229873.7(1.4) Hz。2015年9月国际时间频率咨询委员会（CCTF）会议期间，这一数据被上报到国际频率标准工作组（FSWG），并被认可和接收，作为参与计算锶原子跃迁频率推荐值的数据之一。中国成为世界上第5个研制成功锶原子光晶格钟的国家。