自旋相关光晶格在锶原子光钟中的应用研究

Optical lattice clock known as the new generation of frequency standards, is based on neutral atoms optical transition with stability and accuracy at the 10-18 level. The ultra-cold atomic sample trapped in the “magic” optical lattice is the basis of the entire optical clock, which provides the high precision optical frequency standard. In this project, the spin-dependent optical lattice technique is applied to strontium optical lattice clock study. Then spin-dependent “magic” wavelength lattice have different optical potential well with different Zeeman sub-levels of 87Sr atom, thus it can be used to realize the two selective states 1S0(F=9/2,mF=±9/2) of clock transition. In this way, the purity of the cold atomic state production can be improved, which is advantageous to obtain high signal to noise ratio of clock transition. It is expected to further enhance the strontium atom optical clock performance. Meanwhile, the spin-dependent optical potential wells can control coherent transport with different energy states, ultra-cold collisions induced by inhomogeneous excitation on the clock transition and the quantum tunneling effect between the adjacent wells will be investigated.

光晶格原子钟是以原子光学波段跃迁为基准的时间频率基准，其频率稳定度和不确定度都已进入10-18量级，是目前性能指标最高的新一代原子钟。囚禁于魔术光晶格中的冷原子样品为其提供高精度光学频率标准源。本项目提出将自旋相关光晶格技术应用于锶原子光钟的研究，自旋相关魔术光晶格对87Sr原子不同塞曼能态所产生不同的势阱，从而可实现对钟跃迁探测所需两能态1S0(F=9/2,mF=±9/2) 的冷原子进行具有选择性的偶极囚禁。实验上可应用于提高冷原子态制备的纯度，有利于获得高信噪比的钟跃迁谱线，并有望实现对锶原子光钟性能的进一步提升。同时，自旋相关光势阱可实现对不同能态原子的相干输运，在空间上对不同能态的原子也进行了分离，可应用于对冷原子间碰撞的可操控性及量子隧穿效应等基础物理问题的探索研究。

本项目研究了自旋相关魔术光晶格在锶原子光钟研究中的应用，实验中通过光抽运的方法对原子进行自旋极化，自旋极化谱作为光钟系统的量子参考系，是实现光钟频率的闭环锁定的必要条件。原子全部抽运到基态mF=±9/2的塞曼磁子能级上，对原子进行归一化探测获得一组窄线宽的自旋极化谱线。完成了项目研究内容，突破了关键技术，实现了锶原子光钟的初步锁定，并对系统稳定度进行测量。本项目中正在写的发明专利2项；发表论文2篇，其中SCI收录1篇；培养了硕士2名，主要成果有：.1) 采用归一化探测的方法，对钟跃迁谱线进行探测，得到边带可分辨的钟跃迁谱线。通过光抽运的方法将原子全部泵浦到所需量子态上，最终获得线宽分别为6.2Hz的钟跃迁自旋极化谱。进一步延长窄线宽激光脉冲的时间，可以得到线宽更窄的跃迁谱线。在探测时间为300ms时，获得了线宽为3.9Hz的自旋极化谱线。.2）采用自旋极化谱双边锁定的方法实现对锶光钟频率的闭环锁定，并对系统稳定度进行测量，最终在3000s的采样时间下获得87Sr光晶格钟的频率稳定度为5.7×10-17。