铝离子光频标组简介
铝离子光频标具有常温下黑体辐射频移小、电四极矩频移为零等优点，此外，它具有较高的内禀Q值（1017），因而是一个很好的光频标选择。利用铝离子光频标可以进行基本物理常数测量、基本物理规律检验等前沿物理研究，其发展出的技术也有望在计量学、量子传感、量子导航、量子信息、测地学等方面获得应用。要实现铝离子光频标，最直接的办法是利用激光冷却技术将铝离子运动冷却到Lamb-Dicke范围，再由一台超稳激光扫描钟跃迁线。对于铝离子来说，需要的冷却激光波长为167 nm。目前这种激光器还处在研发状态。
为了解决这个难题，我们采用量子逻辑光谱的技术来实现铝离子光频标，通过一个逻辑离子协同冷却铝离子，同时通过逻辑离子测量铝离子的光谱。利用镁离子作为逻辑离子进行量子逻辑光谱测量的流程如表1所示。通过离子阱中离子对的运动模式将铝离子内态相干地传递到镁离子的内态，通过探测镁离子的光谱从而间接地探测光谱离子的内态。美国国家标准技术局（NIST）通过这种技术实现了10-19系统相对不确定度的光频标，是目前国际上系统不确定度最小的光频标，其课题负责人D. Wineland获得了2012年的诺贝尔物理学奖。
表1镁-铝离子量子逻辑光谱技术
1. 初态制备 |
|↓>Al|↓>Mg |0> |
2. 铝离子激光作用 |
(α|↓>Al+β|↑>Al) |↓>Mg|0> |
3. 铝离子内态转移至外态 |
α|↑>Al|↓>Mg |1>+β|↑>Al|↓>Mg|0> |
4. 外态转移至镁离子内态 |
α|↑>Al|↑>Mg |0>+β|↑>Al|↓>Mg|0> |
5. 镁离子内态的探测 |
α|↑>Mg+β|↓>Mg |
研究进程
华中科技大学引力中心自2011年启动铝离子光频标项目以来，选择镁离子做为逻辑离子展开了一系列的研究，包括逻辑离子的选择、离子阱的设计、离子阱驱动电路、实验时序控制、镁离子的囚禁和多普勒冷却、铝离子的协同冷却、镁-铝离子拉曼边带冷却、铝离子1S0-3P1跃迁线探测、铝离子1S0-3P0钟跃迁线探测等，整体研究进程如图1所示。
图1 铝离子光频标研究进程
研究成果
囚禁在离子阱中的离子是进行精密光谱实验的一个很好的对象，它能够将带电离子长时间囚禁在超高真空环境中，超高真空环境又减小了背景气体对囚禁离子的影响，而足够大的势阱深度使得位于离子阱中心的离子可以长时间地与激光相互作用。为此我们设计了一款加热率低至5声子/秒的线性刀片Paul阱[1]（图2左）。同时为实现较高的阱深，我们设计了Q值为400的螺旋共振器[2]（图 2右）作为离子阱的驱动。
离子阱必须在超高真空环境下使用，压强大小决定了离子与背景气体分子碰撞的几率。我们设计并搭建了一套真空度优于2Í10-8pa的真空系统（图3）。
探测量子逻辑光谱需要将镁-铝离子对拉曼冷却至振动基态，我们先从单个镁离子出发，优化一阶红边带和二阶红边带的冷却次序，实现了单个镁离子的快速高效的拉曼边带冷却[3]；在此基础上，优化镁-铝离子对呼吸模和质心模的两个边带共四个模式的冷却次序，实现了镁-铝离子对沿z方向的冷却，质心模的平均声子数达到了0.01[4]。
实现了拉曼边带冷却之后，我们基于量子逻辑光谱技术，先后观测到了铝离子的逻辑谱和钟跃迁谱线。除此之外，我们在这套系统的基础上分别测量了镁离子基态的超精细能级结构[5]、镁离子光频移[6]以及铝原子光谱[7]。
后续研究工作
后续我们将重点实现铝离子光频标的闭环锁定、绝对频率测量、系统误差评估、离子囚禁寿命提升、新型冷却技术，并将其应用于基础物理研究。
团队成员
离子囚禁团队的项目负责人为陆泽晃教授，团队中现有副教授一人、博后一人、博士研究生五人，硕士研究生一人。欢迎感兴趣的老师、博后、研究生、本科生加入团队。
参考文献：
1. K. Deng, H. Che, Y. Lan, Y. P. Ge, Z. T. Xu, W. H. Yuan, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Design of blade-shaped-electrode linear ion traps with reduced anharmonic contributions," J. Appl. Phys.118(11), 113106 (2015).
2. K. Deng, Y. L. Sun, W. H. Yuan, Z. T. Xu, J. Zhang, Z. H. Lu, and J. Luo, "A modified model of helical resonator with predictable loaded resonant frequency and Q-factor," Rev. Sci. Instrum.85(10), 104706 (2014).
3. H. Che, K. Deng, Z. T. Xu, W. H. Yuan, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Efficient Raman sideband cooling of trapped ions to their motional ground state," Phys. Rev. A96(1), 013417 (2017).
4. H.-L. Liu, Z.-T. Xu, Z.-Y. Ma, W.-Z. Wei, P. Hao, W.-H. Yuan, H. Che, F.-H. Cheng, Z.-Y. Wang, K. Deng, and Z.-H. Lu, "Raman sideband cooling of25Mg+-27Al+ions pair and observation of quantum logic spectra," ArXiv190209716 Phys. (2019).
5. Z. T. Xu, K. Deng, H. Che, W. H. Yuan, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Precision measurement of the25Mg+ground-state hyperfine constant," Phys. Rev. A96(5), 052507 (2017).
6. W. H. Yuan, K. Deng, Z. Y. Ma, H. Che, Z. T. Xu, H. L. Liu, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Precision measurement of the light shift of25Mg+ions," Phys. Rev. A98(5), 052507 (2018).
7. H. Liu, W. Yuan, F. Cheng, Z. Wang, Z. Xu, K. Deng, and Z. Lu, "Ultraviolet laser spectroscopy of aluminum atoms in hollow-cathode lamp," J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys.51(22), 225002 (2018).