随着光钟性能指标的不断提升，上世纪六十年代提出的基于微波频率的秒定义的准确度已低于光频标两个数量级，因此，这个目前仍在使用的秒定义迫切需要被修改。国际单位制(SI)中的其它基本单位已于2018年进行了重新定义，唯独时间单位“秒”的定义仍还没被修改。主要原因之一是目前光钟发展太快，还无法确定一个能维持长久使用的新的秒定义。国际时间频率咨询委员会(CCTF)已提出秒定义修改路线图，并在2022年各国政府代表参加的国际计量大会(CGPM)获得通过，希望能够在2030-2034年实现秒定义修改。为此，各国家都在抓紧研制更高精度的光钟，争取在即将到来的秒定义修改国际竞争中有话语权。
研制出更先进的光钟是在这场竞赛中取胜的必要条件，而内壳层原子光钟被认为是性能更优越的一类新型光钟。Im体育官方版app下载精密光谱科学与技术国家重点实验室徐信业教授课题组在国际上率先开展内壳层镱原子光钟的研究。最近，课题组在此项研究工作中取得了重要突破，首次精确测量了镱原子中基于内壳层电子跃迁的1695nm新的钟跃迁的绝对频率值，精度提高了六个数量级；而且还找到研制相应光钟所必需的光晶格的“魔术波长”精确位置。这不仅为研制内壳层镱原子光钟创造了良好条件，还解决了以前理论物理学家只能给出该“魔术波长”大致范围的问题。课题组在此项工作中进一步精确测量了与1695nm内壳层跃迁相关的一些重要的物理量，如超极化率、张量极化率和超精细结构能级的磁偶极系数等，为后续完善理论模型提供了宝贵的实验数据。最终在国际上首次实现了内壳层镱原子光钟的闭环锁定，即初步实现了内壳层镱原子光钟。
徐信业教授课题组该项研究成果Investigation of the 6s6p 3P0−4f135d6s2 (J=2) Clock Transition in 171Yb Atoms于2024年2月20日在线发表在国际著名学术期刊Physical Review X上。此项工作被审稿人认为是国际上首次对1695nm内壳层镱原子光钟开展了系统全面的实验性研究。博士生谯皓和艾迪为共同第一作者，徐信业教授为唯一通讯作者，Im体育官方版app下载为第一完成单位。
Physical Review X刊发徐信业教授课题组研究成果
这项实验难点之一是要寻找的新钟跃迁是发生在一个激发态到另一个激发态之间，因此，原子至少需要两次接连激发跃迁，即第一步要求精准地激发外层电子使得原子从基态跃迁到第一激发态，第二步则要求有选择地准确激发内壳层的某个电子使得原子从第一激发态跃迁到第二个激发态。这其中所使用的都是先进的精密光谱和量子态调控技术等，而若要成功使用这些精密技术，需保证实验系统极其稳定，这是极大挑战。相比较而言，目前所研究的光钟的钟跃迁基本都是从一个稳定的基态到一个激发态，只需一次激发跃迁，即前面所介绍的第一步，相对容易。另一个难点是没有该新钟跃迁频率的精确值，只有大概值，以致扫钟跃迁谱时要搜寻的范围是该钟跃迁线宽的近亿倍，仿佛是大海捞针。为此，课题组前期设计了多个实验方案并进行尝试，投入了大量时间，结果是一无所获。但课题组成员并没气馁，不断改进实验方案，优化实验参数。经过不懈努力，攻坚克难，挑战极限，终于在一片噪声的扫谱信号中发现了一个特殊的小信号，并利用精密光谱技术和原子能级理论等确认它就是要找的目标。该项研究的最关键点被突破后，实验由此不断向前推进。
从图1可见，该实验共计需要从紫外到红外不同波长的八套稳定的激光系统，而且要求各激光器能长期稳定运行，特别是频率需长时间同时锁定。图2是精确测量新钟跃迁绝对频率的实验装置示意图，实验装置包括激光冷却和光晶格囚禁的冷镱原子系统、两套亚赫兹线宽超稳激光系统、高精度测量光频的光梳系统和提供频率基准的氢钟系统等。课题组目前不仅已独立自主地建立了一套测量跃迁绝对频率的完整实验系统，而且已完全掌握了必需的、所有的关键技术。
图1.內壳层镱原子光钟相关能级示意图
图2.内壳层镱原子光钟实验装置示意图
近年来，徐信业教授课题组在冷镱原子光钟研究方面已取得了一系列进展，不仅已成功研制了具有国际先进水平的冷镱原子光钟，而且在一些关键技术上也取得了重要突破。如在2020年完成了冷镱原子光钟的578nm钟跃迁绝对频率的精确测量，相关成果发表在国际计量领域权威期刊Metrologia上，并实现了我国镱原子光钟首次向国际计量组织成功报数，所提交的测量数据已被用于国际次级秒定义计算中。随后，在国际上首次完成了同一套光钟系统中黑体辐射频移不确定度五种评估方案的比对实验，不仅清晰地显示了各方法的优缺点，而且提出了一种常温环境下最优评估方法；还进一步利用内置低温腔，获得了目前国际上光钟黑体辐射频移不确定度进入E-19水平最好结果之一，相关成果已发表在2023年的国际测量领域权威期刊Measurement上。课题组还利用已研制成功的高精度冷镱原子光钟，对镱原子光钟中相关跃迁的绝对频率和相关物理参量进行了精确测量，进一步提高了被测量值的精度，填补了一些国际空白；此外，还发现了一些报道值的不妥，解决了一些理论与实验争端，相应成果已于2023年分别发表在国际学术期刊Phys. Rev. A、Appl. Phys. Lett.、IEEE Trans. Instrum. Meas.等上。徐信业教授表示，以上取得的系列重要成果是课题组全体成员，特别是学生们日日夜夜长期努力奋斗的结果。
徐信业教授指出，这仅仅是研制内壳层镱原子光钟刚迈出的第一步，后续还有许多难关需去攻克。尽管目前研制的镱原子光钟还有许多不足之处，但他们充满信心，还会继续努力。由于内层电子受到外层电子的隔离，能减弱外场对其扰动，因此，内壳层原子光钟有望在性能指标上超越目前基于外层电子的原子光钟，从而为我国在即将到来的秒定义修改中争得话语权而创造更有利条件。目前这项工作意义还在于将为当前我国开展前沿性基础物理研究提供一种超高精度的测量手段，从而有助于增强我国在前沿性基础物理研究领域的国际竞争力。比如与课题组前期已研究成熟的578nm钟跃迁结合，构建成双钟频镱原子光钟，如图3所示，可以前所未有的测量精度探询精细结构常数是否随时间变化，这将为检验现有物理理论是否正确提供十分重要的依据。
图3.双钟频镱原子光钟工作原理及潜在应用研究的示意图
徐信业教授课题组长期从事冷镱原子光钟研究，相关研究得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委、Im体育官方版app下载以及精密光谱科学与技术国家重点实验室的资助与支持。
附：
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.14.011023
来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室、科技处 编辑｜毛宇彤 编审｜郭文君
