《套用於光鐘的鐿原子深度冷卻與精密操控研究》是依託華東師範大學，由徐信業擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：套用於光鐘的鐿原子深度冷卻與精密操控研究
- 項目類別：重點項目
- 項目負責人：徐信業
- 依託單位：華東師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本申請瞄準冷原子光鐘這一當前國際前沿研究課題，開展冷鐿原子光鐘中一些關鍵技術及基本物理問題的研究工作，希望能突破目前限制原子光鐘精度進一步提高的一些瓶頸。實驗測量與理論分析結果已表明，目前中性原子鐘精度的進一步突破已受限於黑體輻射頻移、冷原子之間的碰撞頻移、光晶格中高階光頻移等因素。為此，本申請項目將重點對存在於鐿原子光鐘中這些效應開展理論和實驗研究，一方面將從理論上深入分析黑體輻射頻移、碰撞頻移等對鐿原子光鐘頻率不確定度的影響，另一方面將從實驗上採取相應措施如鐿原子的深度冷卻、光晶格的最佳化設計和鐿原子的精密操空等消除或降低這些效應帶來的影響，為最終研製成高精度的鐿原子光鐘創造條件，同時也為其它類型原子光鐘相似效應消除提供可參考的方案。本項目希望能為我國早日擁有自主智慧財產權的高精度的原子光鐘作出貢獻，以使我國在國際新一輪頻標技術競賽中有一席之地，對一些計量單位重新定義有我們中國人的貢獻。
結題摘要
光頻標的研究已取得重大進展，頻率穩定性和不確定性都已進入E-18水平，超越當前最好的銫噴泉原子鐘性能指標。為此，國際組織正在考慮修改秒的定義，同時已把七種原子或離子選為秒的次級定義，作為將來秒新定義的候選者，鐿原子就是其中之一。本項目通過對鐿原子開展雷射冷卻和量子操控等實驗和理論研究，為研製高精度鐿原子光鐘提供關鍵技術。首先對鐿原子的一級和二級雷射冷卻和囚禁，包括鐿原子束的二維準直和塞曼減速等過程進行最佳化研究，獲得近千萬個原子、溫度為幾個微開的冷鐿原子團，這是目前同類實驗最好結果之一。然後，對冷鐿原子在光晶格中的動力學過程進行研究，並實現了冷鐿原子在一維、二維和三維光晶格中的有效裝載。隨後，對冷鐿原子在一維光晶格中的鐘躍遷譜進行了探測和最佳化。藉助於雷射的抽運效應和歸一化測量方法提高鐘躍遷譜的信噪比；通過降低鐘雷射功率抑制譜的功率增寬效應；通過補償雜散磁場消除塞曼效應的影響；通過增加鐘雷射與冷鐿原子的相互作用時間降低了傅立葉極限。最終，在兩套冷鐿原子光鐘裝置上都獲得譜寬為幾赫茲的鐘躍遷譜，接近於對應的傅立葉極限和鐘雷射本身線寬。利用自旋極化技術進一步提高鐘躍遷譜的信噪比，通過最佳化極化光的頻率失諧和功率以及外加磁場的大小，對基態冷鐿原子實現了近90%的自旋極化。在此基礎上, 實現了兩套冷鐿原子光鐘的閉環鎖定，並可連續長期運行十小時以上。無論是使用自比對方法，還是兩套冷鐿原子光鐘間的比對，結果表明冷鐿原子鐘光鐘的頻率穩定性已進入E-17水平。區別於國際上現行的黑體輻射頻移評估方法，提出並實施了腔體外表面溫度精確測量與腔內冷原子處溫度數值模擬相結合的新方法，獲得黑體輻射頻移不確定度在E-17水平。對光晶格光產生的頻移，不僅進行理論分析，而且還進行實驗精確測量；同時還在實驗上測量了冷鐿原子光晶格的魔術波長，與國際上其它小組已報導值吻合。對磁場引起的一階和二階塞曼頻移，通過實驗進行細緻測量，結果塞曼頻移不確定度在E-17水平。對冷鐿原子之間碰撞引起的頻移進行實驗測量，頻移不確定度也在E-17水平；還提出可進一步有效抑制碰撞頻移的方法。此外，對其它引起頻移的效應都進行測量和分析，最終冷鐿原子光鐘總的頻率不確定度優於2E-16。研究表明，通過對鐿原子的雷射冷卻和量子操控，獲得的冷鐿原子光鐘性能已到達國際先進水平，這將為我國在秒的新定義競爭中獲得話語權創造有利條件。
