近日，精密測量院離子光頻標研究組與原子分子外場理論研究組合作，在鋁離子光鐘精密測量研究中取得重要進展。研究團隊首次提出了一種具有普適性的 “極化率天平”測量方案，實現(xiàn)離子極化率之差的高精度測量?；谠摲桨?，團隊利用Ca⁺離子作為“參考砝碼”，通過測量囚禁在同一個離子阱中的Ca⁺和Al⁺離子的光頻移之比，高精度地確定了Al⁺離子鐘躍遷的極化率之差這一學術(shù)難題。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在了國際著名期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

光頻標鐘躍遷上態(tài)和下態(tài)的靜態(tài)極化率之差是評估光頻標體系黑體輻射頻移所需的重要參數(shù)，其不確定度是高精度光頻標的系統(tǒng)不確定度的重要來源之一。極少數(shù)離子光鐘體系（如Ca⁺和Sr⁺）的靜態(tài)極化率之差為負值，可以采用“魔幻射頻囚禁場”方案高精度測量其鐘躍遷的靜態(tài)極化率之差，精密測量院高克林研究團隊于2019年測得Ca⁺鐘躍遷靜態(tài)極化率之差的不確定度僅為0.029%。而對于大多數(shù)離子光鐘體系鐘躍遷的靜態(tài)極化率之差，通常只能通過理論計算或傳統(tǒng)的光頻移測量方案得到。對于Al⁺鐘躍遷的靜態(tài)極化率之差，此前最好的理論計算值的不確定度為9.8%，2019年美國NIST實驗測量值的不確定度為13.4%，其測量精度主要受限于背景激光的功率波動和光功率密度的測量精度。

研究團隊創(chuàng)造性地提出一種基于“原位”測量的“極化率天平”測量方案，通過測量共同囚禁在同一個離子阱中的兩種離子光頻移的比值來測得其極化率之差的比值，利用離子阱軸向通光的方法達到完全消除了背景光功率波動和光功率密度誤差帶來的影響，巧妙地將Ca⁺鐘躍遷極化率之差的高精度特性傳遞給Al⁺鐘躍遷的極化率之差測量，最終將鋁離子靜態(tài)極化率之差測量值測量精度提高到3.4%，比美國NIST在2019年的測量精度提高4倍。理論分析預言，若采用波長更長的背景光，能繼續(xù)將測量精度進一步提高。

這一測量方案可以推廣至任意離子體系，對離子光鐘黑體輻射頻移的高精度評估具有重要的意義，PRL審稿人對本工作均給予了高度評價?“this technique will be a "must-have" for any ion atomic clock species, and the paper will therefore represent a "must-read" for researchers working on optical atomic clocks.”（“這項技術(shù)適合于任何離子光鐘黑體輻射頻移研究，因此這篇論文將是從事光學原子鐘研究的研究人員的必讀之作。”）。

“極化率天平”測量方案

左圖為實驗原理，通過測量同一線形離子阱中兩種離子光頻移的比值，得到其極化率之差的比值，由于參考離子的極化率之差已知且具有極高的精度，由此精確推算待測離子的極化率之差，最終實現(xiàn)高精度的傳遞

右圖為Al⁺離子鐘躍遷極化率之差的實驗測量結(jié)果，其不確定度為3.4%，比NIST在2019年的測量精度提高4倍

該研究成果以“Improved measurement of the differential polarizability using the co-trapped ions”為題發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。魏遠飛和晁思嘉為共同第一作者，黃學人、曹健和李承斌為共同通訊作者。

Al⁺離子光頻標的研究長期得到科技部、國家自然科學基金委和中國科學院等部門長期以來的大力支持。

文章鏈接：

https://journals.aps.org/prl/accepted/b807fYeeY391b682262428f13faba74d1fab43ebd