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、光钟闭环锁定和系统误差评估等，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2×10-8 Pa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，成功实现铝离子光钟的闭环锁定，并将系统不确定度评估至1.6E-18[5,6]，相当于约200亿年不差1秒。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[7]、镁离子光频移[8]、镁离子光谱[9]以及铝原子光谱[10]。
飞秒光学频率梳：
飞秒光学频率梳(OFC)是铝离子光频标的重要组成部分。它是一种锁模激光脉冲重复频率和载波包络相移频率均严格锁定的激光光源，在时域为等间隔等幅度的超短脉冲序列，在频域则为规则且等间隔的梳齿线，相邻梳齿的间隔精确等于激光脉冲的重复频率，其工作原理如图4所示。OFC的发明如同在频域内找到了一把标尺，使光学频率与微波频率相关联，它既是光频计量的强力工具，又是优质飞秒脉冲激光光源，因此在精密激光光谱学、光钟、时频传递、超低噪声微波产生及相干测量等领域都具有广泛而重要的应用。而科学家T. W. Haensch和J. L. Hall因在光学频率梳及精密光谱学领域的杰出贡献，2005年他们共同获得了当年诺贝尔物理学奖。
图4：OFC工作原理图
自2011年以来，课题组重点发展OFC技术，建立了较为完备的光梳精密测量以及超快脉冲光学实验平台，已拥有与本项研究相关的大型探测分析设备、噪声测量系统，包括两套Menlo Systems超低噪声OFC系统、两套高功率掺镱光纤飞秒脉冲源、氢原子钟、铯原子钟、相位噪声测试系统，FFT动态分析仪，自相关脉宽测量仪，FROG脉宽相位测量系统等。氢钟与Menlo Systems超低噪声OFC系统的实物照片如图5所示，输出激光波长覆盖800-2200 nm，最好的稳定度可达到2×10-16@ 1 s和3×10-18@ 1000 s。
图5：(a)氢钟装置实物照片；(b) Menlo Systems超低噪声OFC实物照片
我们还自主发展了飞秒光学参量振荡器紫外光梳技术。构建了腔内倍频的飞秒光学参量振荡器系统，实现了近红外1041 nm波段脉冲高效非线性频率变换至800 nm - 900 nm倍频信号光，脉冲输出功率高达1 W水平；并采用级联单通非线性晶体，获取了波长可调谐的深紫外光梳，调谐范围覆盖232 nm到234.5 nm。系统实物照片和测得的脉冲结果如图6所示。
图6：(a) 自主研制光学参量振荡器紫外光梳实物照片; (b) 测得倍频信号光脉冲的功率放大尺度特性，插图为功率达到1.16 W对应脉冲光谱；(c) 波长可调谐的深紫外光梳光谱
此外，我们还在OFC绝对光频测量（图7）、OFC与铝离子光频标，OFC与超稳激光以及OFC与远距离光频传输等领域也展开了卓有成效的研究。
图7：OFC测量绝对光频系统示意图
时间频率传递：
随着科学技术的发展，基于微波钟(如氢钟、铷钟、铯喷泉钟等)与光钟（包括光晶格钟与囚禁离子光钟）系统所产生的时间/频率精度在不断提高。目前，精度最高的光钟系统其输出频率稳定度已经进入10-19水平(350亿年不差一秒)，并有望在近些年重新定义时间的国际制单位— “秒”。时间基准的确定需要将位于不同地点的多套钟组相互比对，给出统一的时间。而目前基于卫星链路的时间/频率传输方法受限于天气、电离层、卫星轨迹等因素的影响，频率传递精度局限在10-15/天的水平，不能满足未来高精度光钟的比对需求。
基于光纤链路的时间/频率传递技术具有传输损耗低、抗电磁干扰能力强、与光纤通信网络技术相兼容等优势，可实现光钟与微波钟信号高精度的远程分发与传递。除了光钟比对，传递至用户端且具有高精度时间/频率信号还可广泛应用于精密光谱测量、相对论检验、洛伦兹不变性检验等基础研究领域，以及卫星定位导航、高速数字通信、甚长基线干涉测量、地球形貌分析等尖端技术领域。依托于精密重力测量国家重大基础设施(PGMF)，本研究的目标主要定位于将光频标团队研制的铝离子光频标与铯喷泉钟以及低温蓝宝石振荡器微波频标进行频率传递与溯源，形成一套自成体系的时间/频率标准，为精密重力数据测量提供统一可溯源的时间，进行大地动力学研究。同时，也将自行研发的高精度时间/频率标准进行大区域范围的分发，形成一个拓扑结构的时间/频率网络系统。
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. A 96(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. Y. Ma, K. Deng, Z. Y. Wang, W. Z. Wei, P. Hao, H. X. Zhang, L. R. Pang, B. Wang, F. F. Wu, H. L. Liu, W. H. Yuan, J. L. Chang, J. X. Zhang, Q. Y. Wu, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Quantum-logic-based 25Mg+-27Al+ optical frequency standard for the redefinition of the SI second," Phys. Rev. Appl. 21, 044017 (2024).
6. W. Z. Wei, P. Hao, Z. Y. Ma, H. X. Zhang, L. R. Pang, F. F. Wu, K. Deng, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Measurement and suppression of magnetic field noise of trapped ion qubit," J. Phys. B 55, 075001 (2022)
7. Z. T. Xu, K. Deng, H. Che, W. H. Yuan, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Precision measurement of the 25Mg+ ground-state hyperfine constant," Phys. Rev. A 96, 052507 (2017).
8. 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 of 25Mg+ ions," Phys. Rev. A 98, 052507 (2018).
9. P. Hao, K. Deng, F. F. Wu, Z. Y. Ma, W. Z. Wei, W. H. Yuan, Y. B. Du, H. L. Liu, H. X. Zhang, L. R. Pang, B. Wang, J. Zhang, and Z. H. Lu, "Precision measurement of 25Mg+-ion D1 and D2 transition frequencies," Phys. Rev. A 107, L20803 (2023).
10. 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 51, 225002 (2018).