隨著光鐘性能指標的不斷提升，上世紀六十年代提出的基于微波頻率的秒定義的準確度已低于光頻標兩個數量級，因此，這個目前仍在使用的秒定義迫切需要被修改。國際單位制(SI)中的其它基本單位已于2018年進行了重新定義，唯獨時間單位“秒”的定義仍還沒被修改。主要原因之一是目前光鐘發展太快，還無法確定一個能維持長久使用的新的秒定義。國際時間頻率咨詢委員會(CCTF)已提出秒定義修改路線圖，并在2022年各國政府代表參加的國際計量大會(CGPM)獲得通過，希望能夠在2030-2034年實現秒定義修改。為此，各國家都在抓緊研制更高精度的光鐘，爭取在即將到來的秒定義修改國際競爭中有話語權。
研制出更先進的光鐘是在這場競賽中取勝的必要條件，而內殼層原子光鐘被認為是性能更優越的一類新型光鐘。華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室徐信業教授課題組在國際上率先開展內殼層鐿原子光鐘的研究。最近，課題組在此項研究工作中取得了重要突破，首次精確測量了鐿原子中基于內殼層電子躍遷的1695nm新的鐘躍遷的絕對頻率值，精度提高了六個數量級；而且還找到研制相應光鐘所必需的光晶格的“魔術波長”精確位置。這不僅為研制內殼層鐿原子光鐘創造了良好條件，還解決了以前理論物理學家只能給出該“魔術波長”大致范圍的問題。課題組在此項工作中進一步精確測量了與1695nm內殼層躍遷相關的一些重要的物理量，如超極化率、張量極化率和超精細結構能級的磁偶極系數等，為后續完善理論模型提供了寶貴的實驗數據。最終在國際上首次實現了內殼層鐿原子光鐘的閉環鎖定，即初步實現了內殼層鐿原子光鐘。
徐信業教授課題組該項研究成果Investigation of the 6s6p?3P0?4f135d6s2 (J=2) Clock Transition in 171Yb Atoms于2024年2月20日在線發表在國際著名學術期刊Physical Review X上。此項工作被審稿人認為是國際上首次對1695nm內殼層鐿原子光鐘開展了系統全面的實驗性研究。博士生譙皓和艾迪為共同第一作者，徐信業教授為唯一通訊作者，華東師范大學為第一完成單位。
Physical Review X刊發徐信業教授課題組研究成果
這項實驗難點之一是要尋找的新鐘躍遷是發生在一個激發態到另一個激發態之間，因此，原子至少需要兩次接連激發躍遷，即第一步要求精準地激發外層電子使得原子從基態躍遷到第一激發態，第二步則要求有選擇地準確激發內殼層的某個電子使得原子從第一激發態躍遷到第二個激發態。這其中所使用的都是先進的精密光譜和量子態調控技術等，而若要成功使用這些精密技術，需保證實驗系統極其穩定，這是極大挑戰。相比較而言，目前所研究的光鐘的鐘躍遷基本都是從一個穩定的基態到一個激發態，只需一次激發躍遷，即前面所介紹的第一步，相對容易。另一個難點是沒有該新鐘躍遷頻率的精確值，只有大概值，以致掃鐘躍遷譜時要搜尋的范圍是該鐘躍遷線寬的近億倍，仿佛是大海撈針。為此，課題組前期設計了多個實驗方案并進行嘗試，投入了大量時間，結果是一無所獲。但課題組成員并沒氣餒，不斷改進實驗方案，優化實驗參數。經過不懈努力，攻堅克難，挑戰極限，終于在一片噪聲的掃譜信號中發現了一個特殊的小信號，并利用精密光譜技術和原子能級理論等確認它就是要找的目標。該項研究的最關鍵點被突破后，實驗由此不斷向前推進。
從圖1可見，該實驗共計需要從紫外到紅外不同波長的八套穩定的激光系統，而且要求各激光器能長期穩定運行，特別是頻率需長時間同時鎖定。圖2是精確測量新鐘躍遷絕對頻率的實驗裝置示意圖，實驗裝置包括激光冷卻和光晶格囚禁的冷鐿原子系統、兩套亞赫茲線寬超穩激光系統、高精度測量光頻的光梳系統和提供頻率基準的氫鐘系統等。課題組目前不僅已獨立自主地建立了一套測量躍遷絕對頻率的完整實驗系統，而且已完全掌握了必需的、所有的關鍵技術。
圖1.內殼層鐿原子光鐘相關能級示意圖
圖2.內殼層鐿原子光鐘實驗裝置示意圖
近年來，徐信業教授課題組在冷鐿原子光鐘研究方面已取得了一系列進展，不僅已成功研制了具有國際先進水平的冷鐿原子光鐘，而且在一些關鍵技術上也取得了重要突破。如在2020年完成了冷鐿原子光鐘的578nm鐘躍遷絕對頻率的精確測量，相關成果發表在國際計量領域權威期刊Metrologia上，并實現了我國鐿原子光鐘首次向國際計量組織成功報數，所提交的測量數據已被用于國際次級秒定義計算中。隨后，在國際上首次完成了同一套光鐘系統中黑體輻射頻移不確定度五種評估方案的比對實驗，不僅清晰地顯示了各方法的優缺點，而且提出了一種常溫環境下最優評估方法；還進一步利用內置低溫腔，獲得了目前國際上光鐘黑體輻射頻移不確定度進入E-19水平最好結果之一，相關成果已發表在2023年的國際測量領域權威期刊Measurement上。課題組還利用已研制成功的高精度冷鐿原子光鐘，對鐿原子光鐘中相關躍遷的絕對頻率和相關物理參量進行了精確測量，進一步提高了被測量值的精度，填補了一些國際空白；此外，還發現了一些報道值的不妥，解決了一些理論與實驗爭端，相應成果已于2023年分別發表在國際學術期刊Phys. Rev. A、Appl. Phys. Lett.、IEEE Trans. Instrum. Meas.等上。徐信業教授表示，以上取得的系列重要成果是課題組全體成員，特別是學生們日日夜夜長期努力奮斗的結果。
徐信業教授指出，這僅僅是研制內殼層鐿原子光鐘剛邁出的第一步，后續還有許多難關需去攻克。盡管目前研制的鐿原子光鐘還有許多不足之處，但他們充滿信心，還會繼續努力。由于內層電子受到外層電子的隔離，能減弱外場對其擾動，因此，內殼層原子光鐘有望在性能指標上超越目前基于外層電子的原子光鐘，從而為我國在即將到來的秒定義修改中爭得話語權而創造更有利條件。目前這項工作意義還在于將為當前我國開展前沿性基礎物理研究提供一種超高精度的測量手段，從而有助于增強我國在前沿性基礎物理研究領域的國際競爭力。比如與課題組前期已研究成熟的578nm鐘躍遷結合，構建成雙鐘頻鐿原子光鐘，如圖3所示，可以前所未有的測量精度探詢精細結構常數是否隨時間變化，這將為檢驗現有物理理論是否正確提供十分重要的依據。
圖3.雙鐘頻鐿原子光鐘工作原理及潛在應用研究的示意圖
徐信業教授課題組長期從事冷鐿原子光鐘研究，相關研究得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委、華東師范大學以及精密光譜科學與技術國家重點實驗室的資助與支持。
附：
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.14.011023
來源｜精密光譜科學與技術國家重點實驗室、科技處 編輯｜毛宇彤 編審｜郭文君
